Разработка базовых операций пространственных преобразований и их использование для профессионального тестирования

Особенностью профессиональной деятельности инженера, дизайнера, архитектора является необходимость оперирования представляемыми материальными объектами в воображаемом трехмерном пространстве, что требует владения определенными визуально-мысленными навыками. Известно, в частности, что творческий процесс конструирования является идеальным процессом в воображении конструктора, создающего мысленный образ изделия, и далее отображающего его в виде чертежа.

При этом современный период развития общества характерен тем, что компьютерная геометрическая и графическая подготовка понимается как фундаментальная — то есть как часть культуры мышления, познания и интеллектуальной деятельности специалиста любого направления, поскольку геометрическое (пространственное) мышление становится важной компонентой профессиональной деятельности не только в технике, архитектуре, дизайне, но и в науке (геометризация и визуализация приобретает важную тенденцию в I современной математике и физике), бизнесе, муниципальном, банковском деле. Это относится и к другим областям деятельности. Пространственной ориентации (причем с учетом реального времени) требует, например, работа водителя автотранспорта, судовождение, самолетовождение, диспетчера морского или аэропорта и т. п.

По данным статистического анализа неисправностей машйн, от 60 до 90% неполадок связаны с ошибками разработок и изготовления, причем известно, что причины возникновения ошибок заложены в сущность процесса конструирования: допускаемые ошибки могут быть «конструкционными», находиться в расчетах, размерных цепях, определении хода подвижных частей, определении узких места механизма могут быть связаны с масштабом чертежа, с ориентацией отдельных геометрических и конструктивных элементов деталей и т. д.

Подобные проблемы актуальны и для задач архитектурно-строительного проектирования и дизайна, где появляется дополнительная область совершения ошибок — эргономическая.

Проблемы, связанные с визуально-мысленными пространственными навыками возникают и при освоении информационных технологий: в большинстве случаев сложности освоения пакетов компьютерной графики связаны с использованием при работе в графической системе приемов «ручной» технологии выполнения чертежей, имитирующих действие традиционных чертежных инструментов, вместо экономящих время и обеспечивающих большую точность команд редактирования. Очевидно, что методы компьютерного преобразования объектов также требуют от проектировщика-разработчика соответствующих пространственных представлений, обеспечивающих формирование компьютерной культуры работы, что также обеспечило бы адаптацию к новым видам программного обеспечения машинной графики.

Известно, что квалификационные характеристики специалиста с высшим образованием, необходимые для решения инженерных задач на современном уровне, определяются в системе таких дисциплин, как начертательная геометрия и геометрическое моделирование, машинная графика, информатика и программирование, теория механизмов, методы технического творчества, методы художественного конструирования.

Из сказанного очевидно, что решение проблем повышения качества проектируемых изделий предполагает совершенствование не только процесса проектирования (разработки и внедрения новых средств и методрв, включая как инвариантные, так и прикладные пакеты компьютерной графики), но и его субъекта — инженера-проектировщика. Одним из способов такого совершенствования может стать создание на основе возможностей интерактивной компьютерной графики системного инструментального подхода к задаче тестирования навыков пространственного мышления инженеров, дизайнеров, архитекторов, связанных как с геометро-графическими, так и с алгоритмическими представлениями, что предполагает учет владения визуально-мысленными операциями пространственных преобразований (ОПП). Под ОПП в нашем случае будут пониматься некоторые визуально-мысленные действия (далее фиксируемые тем либо иным способом на материальных носителях или дисплее, или никак, кроме мысленно, не фиксируемые), приводящие к изменению структуры либо особенностей положения представляемого трехмерного объекта в воображаемом трехмерном пространстве. Таким образом, возникает необходимость создания интерактивного графического программного комплекса, основанного на операциях пространственных преобразований и позволяющего тестировать уровень пространственного мышления, необходимый современному специалисту с высшим образованием. Разрабатываемый подход должен быть органичен процессу проектирования, представляющему собой последовательность вносимых в проектируемое изделие изменений, во-вторых, имеет отношение к эвристическим приемам проектирования новых объектов.

Геометрические и общематематические аспекты проблематики ОПП исследовались в работах Адамса Дж., Акулова О. В., Балабан О. М., Батракова А. С., Будековой О. А., Гарднера И., Гил ой В., Иванова.

B. П., Клейна Ф., Колмогорова А. Н., Коснара М., Котова И. И., Нартовой Л. Г., Полозова В. С., Плоткина Е. Е., Роджерса Д., Роткова.

C.И, Сидорука Р. М., Стинрода Н., Фомина С. В., Ходулева А. Б., Чинн У., Шенена П., Широковой Л. В., Якунина В. И. и других авторов. I.

Проблемам систематизации средств архитектурной композиции посвящены исследования Альберти,. Араухо И, Антощенкова В. С., Бархина М. Г., Голосова И., Дженкса Ч., Зейтуна Э., Кармазина Ю. И., Кринского В. Ф., Ладовского Н., Некрасова А. И., Прахта К., Сазонова.

В. И., Смолиной О. В., Степанова А. С., Хан-Магомедова О. С.,.

Шевелева И. Ш. и других.

Проблемам информатизации различных аспектов профессиональной архитектурно-строительной деятельности посвящены работы Л. Н. Авдотьйна, Д. А. Аветисяна, А. А. Гусакова, И. Д. Зайцева, В. П. Игнатова, О. Т. Иевлевой., Г. И. Лаврика, В. Н. Мастаченко, В. С. Нагинской, Й. И. Рафаловича, Г. Д. Фролова и других.

Аспекты ОПП в машиностроительном конструировании (в том числе автоматизированном) и дизайне промышленных изделий затронуты в работах Акулова О. В., Аристовой И. В., Быкова В. П., Джонса Дж., Полозова В. С., Принса М. Д., Роткова С. И., Соколовского В. 3., Сомова Ю. С., Стояна Ю. Г., Таленса Ф. Я. и других.

Вопросы, связанные с ОПП и возникающие при разработке и применении инвариантных и прикладных пакетов компьютерной графики, исследовались в работах Авдотьина Л. И., Аманн С., Аристовой Е. В., Виноградовой Т. П., Го дун Н. В., Гордиенко А. С., Датуашвили С. Г., Дергунова В. И., Ежова П. В., Жилиной Н. Д., Иванова А. А., Иевлевой О. Т., Камалова С. Н., Кислюк О. С., Комягина v.

B. Б., Кречко Ю. А., Лапшина М. Л., Мане В., Митина С. В., Митиной Т. А., Норенкова И. П., Оржеховской Р. Я., Романычевой Э. Т., Роткова.

C. И., Семенова Ю. Г., Сидорова С. Ю., Тунакова А. П., Якунина В. И. и других.

Проблемам использования компьютерных методик тестирования посвящены исследования Бессараба А. Б., Бех Л. П., Валеевой А. В., Волковой Н. М., Елисеева И. Н., Иовлева В. П., Капцова А. В., Кухаренко А. Б., Ли В. Г., Сафина Р. С., Светцова В. И., Хмылко Ф. В., Чернявского С. Р. и других авторов.

До настоящего времени системных исследований структуры ОПП, понимаемых как визуально-мысленные навыки, необходимые инженеру-проектировщику, не проводилось. Отсутствуют также работы, посвященные комплексному применению средств компьютерной графики в целях тестирования пространственного мышления.

Таким образом, актуальность предлагаемой работы состоит в необходимости создания системного инструментального подхода к задаче тестирования профессионального мышления инженеров, дизайнеров, архитекторов, связанного с навыками пространственных преобразований, на основе использования специально разработанных в этих целях программных средств.

Объектом исследования являются операции пространственных преобразований, используемые в профессиональной деятельности специалистов с высшим образованием — проектировщиков (архитекторов, инженеров-строителей, конструкторов, дизайнеров интерьера, дизайнеров промышленных изделий, разработчиков и пользователей САПР и т. п.).

Целью исследования является разработка базовых операций пространственных операций и применение их для профессионального тестирования с использованием средств интерактивной компьютерной графики.

Основными задачами исследования являются:

1. Обзор и анализ традиционных подходов к осуществлению операций пространственных преобразований (ОПП) в теоретических и прикладных геометрических исследованиях, в теории архитектурной объемйо-пространственной композиции (ОПК), в существующих и разрабатываемых прикладных программах и инвариантных пакетах компьютерной графики.

2. Анализ формообразования объектов в различных областях архитектурно-строительного, инженерного и ремесленного творчества на основе существующих ОПП.

3. Обоснование набора базовых операций пространственных преобразований (БОПП).

4. Теоретическая проверка и обоснование полноты набора БОПП на примере средств архитектурной объемно-пространственной композиции.

5. Апробация применения БОПП в процессе архитектурного формообразования.

6. Постановка задачи тестирования пространственного мышления на основе использования БОПП.

7. Разработка программных средств профессионального тестирования навыков пространственных преобразований на, основе возможностей интерактивной компьютерной графики. I.

8., Экспериментальное внедрение разработанных программных средств профессионального тестирования и анализ полученных результатов.

Методы исследования. В процессе исследования использованы методы системного анализа, включая морфологический анализ операций пространственных преобразований, а также методы математического программирования, математической статистики и компьютерный эксперимент.

Научная новизна исследования состоит:

• в систематизации исследований, посвященных операциям ¡-пространственных преобразований в геометрических задачах, теории объемно-пространственной композиции (ОПК) и машинной графике, и исследовании особенностей использования ОПП в различных областях проектирования и материальной деятельности;

• в определении соответствия методов и терминологии формообразования между различными предметными областями;

• в системном морфологическом исследовании существующих ОПП и обосновании набора базовых операций пространственных преобразований (БОПП);

• в разработке на основе БОПП методики и системы заданий для профессионального тестирования навыков пространственных преобразований, позволяющих осуществлять количественную оценку визуально-мысленных пространственных навыков испытуемых;

Практический выход. Разработаны базовые операции пространственных преобразований (БОПП), которые могут быть использованы в теории и практике архитектурной объемно-пространственной композиции (ОПК). На основе использования теоретически обоснованных БОПП разработана методика и система заданий профессионального тестирования навыков пространственных преобразований. Создан программный комплекс профессионального тестирования навыков пространственных преобразований (ПК «ПП-Тест»), обеспечивающий тестирование пространственного мышления специалистов-проектировщиков с высшим образованием. ПК «ПП-Тест» реализован в графической среде AutoCAD, программное обеспечение написано на языке AutoLISP, информационное обеспечение представляет собой библиотеки слайдов по четырем типам тест-заданий.

Теоретические принципы построения входящих в ПК «ПП-ТЕСТ» заданий и полученные результаты тестирования могут также представлять интерес для специалистов в областях геометрии и графики, создания наукоемких технологий образования в сфере переподготовки, распознавания образов.

Основные положения диссертационного исследования использованы при выполнении Ростовским государственным архитектурным институтом в 1996 г. научно-исследовательской работы по единому наряд-заказу на тему: «Разработка обучающей сибтемы по проектным и расчетным дисциплинам для архитектурных специальностей» (№ гос. регистрации 01.950 005 343, инв.№ И К 02.960.6 824) (раздел «Разработка методического и программного обеспечения для различных этапов архитектурного образования в высшей школе на основе методов и средств информационной технологии», подраздел «Формирование навыков композиционного и пространственного мышления с использованием возможностей трехмерной компьютерной графики»).

Разработанный ПК «ПП-Тест» внедрен в Ростовском государственном архитектурном институте и Ростовском областном институте повышения квалификации и переподготовки работников образования.

Апробация работы. Основные результаты диссертационных исследований докладывались, обсуждались и были одобрены на конференциях ряда архитектурно-строительных вузов России: «Проблемы художественно-композиционной подготовки в системе архитектурного образования», Воронеж, 1993 и 1994 гг.- российской научной конференции «Информационная технология в архитектуре (исследования, проектирование, обучение)», Ростов-на-Дону, 1993 г.- республиканской научной конференции «Архитектура и экология России: традиции, современность, будущее», Новосибирск, 1993 г.- 4-й международной конференции по компьютерной графике и визуализации «Графикон-94», Нижний Новгород, 1994 г.- научно-практической конференции «Архитектура России: региональное своеобразие», Ростов-на-Дону, 1994 г.- научно-методическом семинаре вузов СевероКавказского региона «Анализ и проблемы освоения новых образовательных программ в технических вузах», Новочеркасск, 1995 г., юбилейной научно-практической конференции «Региональная архитектурно-художественная школа», Ростов-на-Дону, 1998 г.- семинаре-совещании «Актуальные проблемы теории и методики графических дисциплин», Пенза, 1999 г.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения,.

ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ.

Проведенные в диссертационной работе исследования, а также результаты экспериментального применения программного комплекса профессионального тестирования пространственного мышления «ПП-Тест», позволили сделать ряд выводов:

1. Проведенный обзор существующих исследований в области аналитической, начертательной и прикладной геометрии, включая вопросы, относящиеся к теоретической проработке проблем машинной графики, традиционных подходов к систематизации средств объемноI пространственной композиции, и подходов к решению геометрических задач формообразующего характера в существующих системах компьютерной графики, позволили выявить следующее:

• в аналитической геометрии при рассмотрении вопросов связанных с операциями пространственных преобразований (ОПП) наибольшее внимание уделяется «главной группе пространственных преобразований» (ГГПП): параллельного переноса, поворота вокруг начала координат, зеркального отображения, изменения масштаба (равномерное масштабирование), реализуемых в настоящее время в машинной графике применением матрицы преобразований;

• для целей тестирования пространственного мышления представляют интерес теоретико-множественные операции (ТМО) -пересечение, объединение, разность, распространенные также в пакетах компьютерной графики;

• сложные преобразования могут рассматриваться как последовательность простых («композиции», или «цепочки» преобразований), что дает возможность как синтеза новых ОПП так и анализа уже существующих ОПП, сложившихся в процессе практической деятельностив машинной графике при осуществлении композиций используются произведения матриц;

• приемы формообразования в области архитектурной объемно-пространственной композиции (ОПК), несмотря на отсутствие единого подхода и единой терминологии, соотносятся с ОПП и принадлежат к области «синтетической геометрии» (Ф. Клейн). В ОПК распространены следующие операции пространственных преобразований: копирование («метрический ряд») — перенос дискретный", «индискретный») — повтор или копирование с дополнительными условиями размещения («координация», «суммирование») — масштабирование («масштабность», «ритм», «пропорции», «тождество», «нюанс», «контраст», «преувеличение конструктивных элементов и проемов») — зеркальное отображение («симметрия», «отображение», «иллюзорное пространство») — поворот («тождество», «нюанс», «контраст», «ротация дискретная» и «индискретная») — объединение («интегральное пространство») — присоединение («аналитическое», «дифференцированное», синтетическое" пространства, «суммирование») — отсоединение («разъемы конструкций») — пересечение («сечение») — вычитание («отступы во фронтальной поверхности», «удаление кромок и углов») — стирание («удаление кромок и углов») — операции, связанные с измерениями («абстрактное» и «конкретное» пространства) — «растяжение» равномерное и неравномерное- «перекос» равномерный (простой) и неравномерный- «изгиб" — «скручивание» (скручивание равномерное);

• существующие и разрабатываемые инвариантные пакеты и прикладные программы компьютерной графики предполагают владение пользователем следующих ОПП: повтор (копирование) — перенос (перемещение, сдвиг) — копирование с перемещением по заданному условию (направляющей), в том числе операции типаизгибЗеркальное отображениеповоротмасштабированиеподобиеобъединениепересечениевычитаниеразбивка на частиотсоединениеприсоединениеопределение плоскостей пересеченияудаление (стирание). Некоторые из операций компьютерной графики могут рассматриваться как композиции (например, перенос с копированием, поворот с копированием и т. д.).

2. Проведенный анализ формообразования объектов в различных областях деятельности показал, что способы создания материально-пространственных форм, связанные с ОПП применялись в исторической ретроспективе и продолжают применяться в следующих областях:

• архитектурно-строительное проектирование;

• машиностроительное проектирование и дизайн;

• создание форм одежды и обуви;

• создание алфавитных и иероглифических систем и других. При этом рассмотренные объекты относятся к различным историческим периодам и географическим регионам, фактическое их использование как метода мышления при проектировании и изготовлении изделий различного назначения происходит как минимум начиная с эпохи бронзового века.

3. Примеры использования ОПП в архитектуре и строительстве выявлены на различных уровнях проектирования — от деталей здания до планировки кварталов. Использование ОПП в дизайне и машиностроении происходит при проектировании обрабатывающего оборудования, в авиастроении, проектировании технологических процессов обработки, ОПП являются также важной частью методики поискового конструирования. i.

4. Выявлено, что практически во всех рассмотренных областях материальной культуры можно обнаружить следующие однотипные или схожие по своим результатам ОПГ1: повтор (копирование), перенос (перемещение, сдвиг), копирование с перемещением по заданному условию (направляющей), зеркальное отображение, поворот, масштабирование, подобие, определение геометрических областей цересечения, объединение, пересечение, вычитание, разбивка на части, отсоединение, присоединение, удаление (стирание), изгиб.

5. Обоснован набор базовых операций пространственных преобразований (БОПП), предназначенный для дальнейшего использования в целях тестирования пространственного мышления, в следующем составе: перенос, поворот, зеркальное отображение, масштабирование равномерное, соединение, отсоединение, инверсия, копирование, стирание.

Проведенное обоснование опирается на следующие результаты выполненных исследований:

ОПП перенос, поворот, зеркальное отображение и масштабирование составляют главную группу пространственных преобразований ;

— операции объединение, пересечение, вычитание, разбивка на части, i подобие («Offset»), неравномерное масштабирование, изгиб могут быть представлены как составные относительно операций перенос, поворот, соединение, отсоединение, стирание (при этом три последних могут быть определены как составные с участием операции инверсия);

— операции копирование и стирание получили широкое распространение в инвариантных пакетах и прикладных программах компьютерной графики.

6. Проведен анализ возможности использования предложенного набора БОПП в прикладных исследованиях (на примере архитектурной I объемно-пространственной композиции), в результате которого выявлено, что все рассмотренные операции ОПК могут быть представлены как композиции из операций набора БОПП, либо как совпадающие с ними по смыслу проводимых преобразований, несмотря на разницу в терминологии.

7. Результаты экспериментальной практической апробации применения набора БОПП для синтеза архитектурных форм подтвердили соответствие набора БОПП поисковым практическим i задачам формообразования.

8. Разработана постановка задачи создания программного комплекса профессионального тестирования образно-мысленных навыков, необходимых специалисту с высшим образованием (архитектору, дизайнеру, инженеру), как задачи тестирования навыков выполнения операций пространственных преобразований с использованием набора БОПП.

9. Разработаны 4 типа тест-задания, соответствующие требованиям поставленной задачи:

• распознавание ошибочных изображений сложения и вычитания частей трехмерных геометрических тел и оболочек;

• распознавание ошибочных изображений, содержащих изменение ракурса и размера изображения трехмерного объекта;

• распознавание ошибочных изображений, содержащих сведения о пропорциях отрезков, соотношении размеров человеческого тела и архитектурных объектов.

Каждое из заданий представляет собой набор однотипных упражнений и состоит из последовательностей правильных и содержащих специально заложенные ошибки изображений трехмерных объектов — по 20 изображений каждого типа, требует от пользователя применения определенной группы БОПП и имеет аналоги в практической деятельности специалиста-проектировщика. Задачей тестируемого является выявление ошибочных изображений.

9. Разработана структура программного комплекса «ПП-Тест», состоящего из методического, программного и информационного видов обеспечений. ПК реализован в графической среде AutoCAD на языке AutoLISP. Методическое обеспечение представляет собой постановку задачи и описание ПК. Программное обеспечение состоит из следующих основных модулей:

• основной программы, обеспечивающей ведение диалога;

• модуля управления показом изображений;

• модулей обратного отсчета времени и учета времени пользователя, потраченного им на поиск собственных ошибок. Информационное обеспечение представляет собой библиотеки слайдов по четырем типам тест-заданий.

10. Результаты экспериментального внедрения ПК «ПП-Тест», проведенного с привлечением студентов различных курсов и молодых специалистов, показали адекватность ПК «ПП-Тест» задаче профессионального тестирования пространственного мышления специалистов с высшим образованием — архитекторов, дизайнеров, инженеров:

— соответствие повышения средних условных контрольных единиц (УКЕ) тестирования стадиям обучения в вузе;

— соответствие более высоких УКЕ тестирования более высокому среднему баллу;

— соответствие более высоких УКЕ подгруппе испытуемых студентов, принимающих участие в научно-исследовательской работе.

11. Дальнейшими направлениями развития проведенных исследований могут быть:

— расширение контингента участников тестирования;

— расширение и уточнение состава типов заданий универсального геометрического характера и разработка связанных с ОПП типов заданий, имеющих узкопрофессиональную направленность;

— соционические исследования с целью научно обоснованного формирования проектных или научно-исследовательских групп, создаваемых на долговременной основе или для решения конкретных производственных задач, требующих высокого уровня владения визуально-мысленными навыками операций пространственных преобразований.