Актуальность исследования
В современных условиях стремительной цифровизации образования и перехода к компетентностно-ориентированному подходу возрастают требования к формированию у студентов не только предметных знаний, но и универсальных когнитивных способностей, включая пространственное мышление. Пространственное мышление является ключевым навыком для успешного освоения инженерных, архитектурных, конструкторских и технических дисциплин.
Исследования показывают, что интеграция цифровых визуальных инструментов и методов моделирования способствует значительному улучшению пространственного восприятия (например, использование цифровых ресурсов в геометрии дает прирост способностей у школьников). В инженерном образовании применение 3D-моделирования и CAD-систем стимулирует интерес к обучению, развивает визуализацию, пространственное воображение и укрепляет связь между абстрактной моделью и реальным объектом [4, с. 667].
Кроме того, применение CAD не просто как вспомогательного «электронного кульмана», а как активного инструмента обучения оказывается менее трудоёмким и более эффективным с точки зрения освоения пространственных представлений и навыков.
В отечественной и международной литературе все чаще отмечается недостаточная разработанность методик, направленных на целенаправленное развитие пространственного мышления студентов через системное использование CAD и 3D-моделирования – особенно с учётом возрастных, психологических и специализационных особенностей (инженерные направления, дизайн, архитектура). Кроме того, существует потребность в эмпирической верификации таких методик на учебных группах в российских вузах.
Таким образом, исследование, направленное на разработку и апробацию методики формирования пространственного мышления студентов с помощью CAD и 3D-моделирования, является актуальным с точки зрения:
- Совмещения традиционного инженерно-графического образования с современными цифровыми технологиями;
- Повышения качества подготовки студентов технических направлений, особенно в условиях цифровой трансформации отраслей;
- Заполнения пробела в педагогических методиках, адаптированных к отечественным образовательным реалиям.
Цель исследования
Цель данного исследования заключается в научно-методическом обосновании и практической апробации системы формирования пространственного мышления у студентов технических направлений средствами CAD-технологий и 3D-моделирования, а также в оценке эффективности использования цифровых инструментов в развитии визуально-образных и конструктивно-пространственных умений обучающихся.
Материалы и методы исследования
Работа основана на изучении, систематизации и сравнительном анализе психолого-педагогических, методических и технических источников, посвящённых развитию пространственного мышления средствами CAD и 3D-моделирования. В процессе исследования были применены методы теоретического анализа, обобщения научных данных, контент-анализ публикаций, а также сравнительный анализ функциональных возможностей современных CAD-платформ.
Результаты исследования
Пространственное мышление в современной психолого-педагогической литературе рассматривается как семейство взаимосвязанных когнитивных способностей (визуализация, пространственная ориентация, ментальное вращение и др.), критически важных для успешного обучения в инженерии, архитектуре, дизайне и STEM-дисциплинах [3, с. 57].
В образовательном процессе теоретические положения подкрепляются методами развивающего обучения с опорой на визуально-образную и предметно-манипулятивную деятельность. Для инженерной и графической подготовки ключевую роль получают цифровые средства – CAD и 3D-моделирование, которые обеспечивают внешнюю визуализацию, поддержку ментального преобразования форм (поворот, симметрия, сечение, сборка/разборка), а также связывают абстрактные чертежные представления с пространственными образами будущего изделия. Российские и международные публикации отмечают, что курс 3D-моделирования повышает показатели пространственной визуализации (до статистически значимых приростов по результатам пре-/пост-тестов), а методически организованная работа в CAD выступает не «электронным кульманом», а средством когнитивного развития.
В ряде исследований показано, что краткосрочные ремедиальные курсы на базе 3D CAD (в формате интенсивов) приводят к улучшению результатов тестов пространственного мышления у первокурсников-инженеров; сопоставимые эффекты фиксируются и при использовании AR/VR-сред, когда пространственные операции «вынесены» в иммерсивную визуальную среду и подкрепляются пошаговой обратной связью. Для педагогической практики это означает, что теоретические компоненты пространственного мышления эффективнее формируются при сочетании объяснительных моделей (геометрические преобразования, виды и разрезы, эпюр Монжа) с цифровыми опытами (манипуляции в CAD, сборка-разборка, коллизии, анимация кинематики), когда студент не только «видит» объект под разными углами, но и проектирует его параметры и ограничения.
В таблице 1 представлены наиболее употребимые теоретико-диагностические основания, на которые опирается методика формирования пространственного мышления в курсах CAD/3D-моделирования у студентов технических направлений.
Таблица 1
Теоретические опоры и диагностические инструменты пространственного мышления (разработка автора)
Компонент/концепт | Краткое содержание | Типичные задания/инструменты |
Ментальное вращение | Линейный рост времени решения с углом поворота; «аналоговая» умственная трансформация | Пары фигур Шепарда–Мецлера; сравнение ориентаций |
Визуализация | Ментальная реконструкция формы, представление сечений, развёрток, сборки/разборки | PSVT:R (Guay; переработка Yoon, 2011), задания на изометрические преобразования |
Пространственная ориентация | Определение положения объекта/наблюдателя в 3D, устойчивость к изменениям перспективы | Задания на чтение проекций, ориентации в аксонометрии, виды / сечения |
Эффекты обучения CAD/3D | Рост показателей по тестам визуализации после целевых модулей 3D-моделирования | Пре- / пост-измерения PSVT:R, MRT; интенсивы на базе CAD |
Иммерсивная визуализация (AR/VR) | Усиление ментальных преобразований за счёт интерактивности и обратной связи | AR-модули к курсу графики; VR-тренажёры пространственных операций |
В практикуме по формированию пространственного мышления ключевыми становятся задания, интегрирующие когнитивные операции с инструментальными действиями: поворот деталей по заданной оси, сопоставление видов и аксонометрии, мысленное конструирование из простых примитивов (брус, цилиндр, призма), чтение и построение сечений и развёрток, а также анализ коллизий при сборке. Такие задания целесообразно дозировать по уровню сложности и вводить систему быстрой обратной связи (автоматизированная проверка соответствия ориентаций и размеров), что хорошо поддерживается современными CAD-платформами и облегчает переход от теоретических представлений к операциональному владению пространственными преобразованиями. Российские публикации подчёркивают, что именно профессионально ориентированная постановка задач (под реальные конструкторские практики) даёт устойчивый когнитивный эффект [2, с. 1-13].
Образец задания из пересмотренных тестов пространственной визуализации, который был разработан исследователями из Университета Пердью в 1970-х годах, представлен на рисунке ниже.
Рис. Образец задания из пересмотренных тестов пространственной визуализации [5]
Развитие пространственного мышления через CAD и 3D-моделирование опирается не только на удобство визуализации, но и на возможность студенту активно участвовать в преобразовании геометрических объектов, что усиливает когнитивные процессы визуализации, ментального вращения и пространственной ориентации.
CAD-платформы классифицируются по нескольким признакам: уровню применения (базовые, профессиональные, специализированные), типу моделирования (2D, 3D, параметрическое, поверхностное, твердотельное), а также по предметной ориентации (универсальные, машиностроительные, архитектурные, образовательные и т. п.).
Для учебного процесса особую значимость имеют универсальные и машиностроительные CAD-платформы, поддерживающие широкий набор инструментов для трёхмерного моделирования, визуализации, сборки и анализа изделий. Ниже представлена сравнительная таблица характеристик наиболее распространённых систем, используемых в образовательных и инженерных целях (табл. 2).
Таблица 2
Классификация и функциональные возможности современных CAD-платформ (разработка автора)
Название системы | Основные типы моделирования | Ключевые функции | Преимущества | Область применения |
AutoCAD | 2D-чертёж, базовое 3D-моделирование | Построение чертежей, параметризация, визуализация, экспорт в CAM/CAE-форматы | Универсальность, высокая совместимость, богатая библиотека шаблонов | Образовательные учреждения, проектирование архитектурных и инженерных схем |
SolidWorks | 3D-твердотельное, параметрическое моделирование | Сборки, симуляции, кинематика, прочностной анализ, визуализация, интеграция с CAM | Простота интерфейса, развитые средства анализа, учебные версии для вузов | Машиностроение, приборостроение, образовательные программы инженерной графики |
Fusion 360 | Интегрированное CAD/CAM/CAE, 3D-параметрическое моделирование | Облачное проектирование, совместная работа, генеративный дизайн, симуляции | Поддержка коллаборации, облачные вычисления, кроссплатформенность | Образовательные проекты, малые производственные компании, стартапы |
КОМПАС-3D | 2D и 3D-параметрическое моделирование | Проектирование деталей, сборок, спецификаций, оформление КД по ГОСТ | Русскоязычный интерфейс, адаптация под российские стандарты, доступная учебная лицензия | Технические вузы РФ, машиностроение, приборостроение |
PTC Creo | 3D-твердотельное, поверхностное, параметрическое моделирование | Расширенные симуляции, вариационное проектирование, обратная инженерия | Высокая точность, интеграция с системами PLM | Авиа- и автопром, инженерные исследования |
CATIA | Полное 3D-моделирование | Высокоточная визуализация, аэро- и бионическое моделирование, инженерные симуляции | Поддержка сложных системных проектов, интеграция с ERP | Авиа- и судостроение, автомобилестроение, исследовательские лаборатории |
Методически, реализация CAD/3D-моделирования в учебном процессе имеет следующие ключевые особенности:
- Задания должны быть структурированы по уровням сложности – от простого вращения/отображения к композиции элементов, сечению, анализу пересечений, коллизий, сборке и разборке деталей.
- Необходимо предусмотреть регулярную обратную связь – автоматизированную проверку ориентации, размеры, совпадение граней, допустимые допуски и ошибки.
- Эффективно комбинировать традиционные виды (чертёж, аксонометрия, сечения) с интерактивной визуализацией в CAD, чтобы студент видел соответствие между двумерным чертежным изображением и объёмным образцом.
- Включение иммерсивных компонентов (AR / VR) служит усилением визуального опыта и ускоряет освоение пространственных трансформаций (например, 3DARVisualizer показывает, как AR можно использовать для «отладки» 3D моделей и улучшения мышления).
- Временные дозировки: курс должен обеспечивать достаточную длительность, чтобы эффект закрепился, но не быть слишком длинным, чтобы не превратиться в «чёрную ящик» без сознательной работы над визуализацией.
- На этапе обучения целесообразно включать пре-/пост-тестирование (например, Revised PSVT:R) для оценки эффективности, а также применять статистические методы (парные t-тесты, ANOVA, нормализованные приросты) для анализа данных.
В таблице 3 приведены упражнения, которые можно встроить в методику (с ориентирами на реальные практики из исследовательских публикаций).
Таблица 3
Система упражнений для развития пространственного мышления студентов средствами CAD и 3D-моделирования (разработка автора)
Уровень сложности | Пример задания | Цель задания | Контроль/оценка |
Базовый | Повернуть простую фигуру (брус, цилиндр) на 90° вокруг оси Х/Y | Развитие навыка ментального вращения | Автоматическая проверка совпадения ориентации |
Средний | Сравнить два вида фигуры после поворота / отразить фигуру | Связь между видом и объёмной моделью | Сравнение с эталоном, баллы за точность |
Высокий | Сборка деталей – совместить сцепляющиеся части, избегая коллизий | Интеграция пространственного мышления и конструктивного представления | Проверка пересечений, корректности контактов |
Продвинутый | Моделирование сечений и развёрток – определить форму сечения, построить развёртку | Связь 2D и 3D преобразований | Сравнение с правильной развёрткой/сечением |
Иммерсивный | Работа с AR-моделью над изменением ориентации, наложением изменений | Подкрепление визуализации через реальное восприятие | Наблюдение за решением, метрики времени и ошибок |
Ниже представлен практические рекомендации преподавателям инженерной графики и компьютерного моделирования:
- Интегрировать CAD-практику в каждый тематический модуль, сочетая традиционные приёмы черчения с заданиями на создание 3D-моделей, визуализацию и анализ сборок [1].
- Начинать обучение с базовых пространственных операций (вращение, сечение, проекция), постепенно переходя к параметрическому моделированию и симуляциям.
- Использовать пре- и пост-тестирование (например, PSVT:R или MRT) для оценки динамики развития пространственного мышления студентов.
- Применять проектные и кейс-методы: моделирование реальных объектов, создание деталей по чертежам, виртуальная сборка изделий.
- Поощрять самостоятельное исследование в CAD-среде, давая студентам возможность сравнивать результаты разных программ (AutoCAD, SolidWorks, Компас-3D и др.).
- Акцентировать внимание на визуализации ошибок и коллизий – анализировать их как инструмент когнитивного развития, а не просто как технический недочёт.
- Использовать облачные и онлайн-платформы (Fusion 360, Tinkercad) для групповых заданий и формирования навыков совместной проектной работы.
- Включать элементы AR/VR-визуализации для усиления пространственного восприятия и интереса студентов.
Эти рекомендации направлены на то, чтобы CAD-технологии служили не только средством проектирования, но и эффективным инструментом развития пространственного мышления и инженерного воображения.
Выводы
Таким образом, развитие пространственного мышления у студентов технических направлений является одной из ключевых задач современного инженерно-графического образования. Анализ психолого-педагогических и методических источников показал, что использование CAD-технологий и 3D-моделирования способствует активизации познавательной деятельности обучающихся, формированию умений пространственной визуализации, ментального вращения и ориентации в трёхмерном пространстве.
Установлено, что современные CAD-платформы (AutoCAD, SolidWorks, Fusion 360, Компас-3D и др.) обладают широкими возможностями для наглядного представления геометрических объектов, моделирования реальных конструкций и интеграции визуально-образных методов обучения. Их применение позволяет студентам не просто воспроизводить графические формы, а осознанно конструировать пространственные структуры, что способствует развитию инженерного воображения и логического мышления.
Анализ подтвердил, что системное включение средств компьютерного моделирования в учебный процесс может стать эффективным инструментом формирования профессионально значимых когнитивных навыков. Вместе с тем отсутствие экспериментальной части оставляет открытым вопрос о практической верификации предложенных подходов, что определяет перспективу дальнейших эмпирических исследований и разработки методики педагогического эксперимента по оценке эффективности использования CAD-технологий в развитии пространственного мышления студентов.
.png&w=640&q=75)
