Развитие пространственного мышления у студентов с помощью CAD и 3D-моделирования

Актуальные исследования • 2023. №38 (168) Педагогика | 74 10.5281/zenodo.17393314 ШАВЕЛКОВА Виктория Викторовна преподаватель специальных дисциплин высшей квалификационной категории, Сергиево-Посадский колледж, Россия, г. Сергиев Посад РАЗВИТИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОГО МЫШЛЕНИЯ У СТУДЕНТОВ С ПОМОЩЬЮ CAD И 3D-МОДЕЛИРОВАНИЯ Аннотация. В статье рассмотрены теоретические основы и современные подходы к развитию пространственного мышления у студентов технических направлений с использованием технологий CAD и 3D-моделирования. На основе анализа отечественных и зарубежных исследований выявлены ключевые когнитивные компоненты пространственного мышления и определена их взаимосвязь с успешностью обучения инженерным дисциплинам. Проведена систематизация функциональных возможностей современных CAD-платформ и определены их методические преимущества в образовательном процессе. Отмечено, что использование цифровых инструментов проектирования способствует не только формированию профессиональных навыков, но и развитию инженерного воображения, аналитического и пространственного мышления студентов. В заключение подчёркивается, что интеграция CAD-технологий в процесс обучения повышает его эффективность и требует дальнейших эмпирических исследований для уточнения педагогических условий и методик практического применения. Ключевые слова: пространственное мышление, инженерная графика, CAD-технологии, 3D-моделирование, визуализация, техническое образование, цифровое обучение, развитие когнитивных способностей, инженерное воображение, профессиональная подготовка студентов. 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: Актуальные исследования • 2023. №38 (168) Педагогика | 75 1. Совмещения традиционного инженерно-графического образования с современными цифровыми технологиями; 2. Повышения качества подготовки студентов технических направлений, особенно в условиях цифровой трансформации отраслей; 3. 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 CADтехнологий 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 визуальнообразную 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. Актуальные исследования • 2023. №38 (168) Педагогика | 76 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] Актуальные исследования • 2023. №38 (168) Педагогика | 77 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/CAEформаты 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 КОМПАС3D 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 Авиаи автопром, инженерные исследования CATIA Полное 3D-моделирование Высокоточная визуализация, аэрои бионическое моделирование, инженерные симуляции Поддержка сложных системных проектов, интеграция с ERP Авиаи судостроение, автомобилестроение, исследовательские лаборатории Актуальные исследования • 2023. №38 (168) Педагогика | 78 Методически, реализация CAD/3Dмоделирования 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: 1. Интегрировать CAD-практику в каждый тематический модуль, сочетая традиционные приёмы черчения с заданиями на создание 3Dмоделей, визуализацию и анализ сборок [1]. 2. Начинать обучение с базовых пространственных операций (вращение, сечение, проекция), постепенно переходя к параметрическому моделированию и симуляциям. 3. Использовать преи пост-тестирование (например, PSVT:R или MRT) для оценки динамики развития пространственного мышления студентов. 4. Применять проектные и кейс-методы: моделирование реальных объектов, создание деталей по чертежам, виртуальная сборка изделий. 5. Поощрять самостоятельное исследование в CAD-среде, давая студентам возможность Актуальные исследования • 2023. №38 (168) Педагогика | 79 сравнивать результаты разных программ (AutoCAD, SolidWorks, Компас-3D и др.). 6. Акцентировать внимание на визуализации ошибок и коллизий – анализировать их как инструмент когнитивного развития, а не просто как технический недочёт. 7. Использовать облачные и онлайн-платформы (Fusion 360, Tinkercad) для групповых заданий и формирования навыков совместной проектной работы. 8. Включать элементы AR/VRвизуализации 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 CADплатформы (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. Литература 1. Блинов А.В., Божко Ю.В., Коробов В.М., Щербаков В.В. Использование CAD-систем и информационных технологий в курсе «Начертательная геометрия и инженерная графика» // Современные проблемы науки и образования. – 2013. – № 2. URL: https://scienceeducation.ru/ru/article/view?id=8913. 2. Дианов С.А., Дианова Ю.В. Профессиональные авторские методики обучения компьютерно-графическому моделированию для участников передовой инженерной школы // Педагогика и просвещение. – 2023. – № 3. – С. 1-13. 3. Кузьменко А.А., Казаков Ю.М., Недодел С.А. Формирования пространственного мышления у студентов в процессе изучения основ трехмерного моделирования // Современные технологии в российской и зарубежных системах образования: сборник статей VIII Международной научно-практической конференции. – 2019. – С. 56-60. 4. Латипов Б.А. 3D моделирование деталей в учебном процессе // Oriental Renaissance: Innovative, educational, natural and social sciences. – 2021. – С. 666-671. 5. A sample item from the Revised Purdue Spatial Visualization Tests:... / Download Scientific Diagram [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.researchgate.net/figure/A-sampleitem-from-the-Revised-Purdue-SpatialVisualization-Tests-Visualizationof_fig1_261876235. Актуальные исследования • 2023. №38 (168) Педагогика | 80 SHAVELKOVA Viktoriia Teacher of Special Disciplines of the Highest Qualification Category, Sergiev Posad College, Russia, Sergiev Posad DEVELOPMENT OF SPATIAL THINKING AMONG STUDENTS USING CAD AND 3D MODELING Abstract. The article discusses the theoretical foundations and modern approaches to the development of spatial thinking among students of technical fields using CAD and 3D modeling technologies. Based on the analysis of domestic and foreign studies, the key cognitive components of spatial thinking have been identified and their relationship with the success of teaching engineering disciplines has been determined. The functional capabilities of modern CAD platforms are systematized and their methodological advantages in the educational process are determined. It is noted that the use of digital design tools contributes not only to the formation of professional skills, but also to the development of engineering imagination, analytical and spatial thinking of students. In conclusion, it is emphasized that the integration of CAD technologies into the learning process increases its effectiveness and requires further empirical research to clarify pedagogical conditions and methods of practical application. Keywords: spatial thinking, engineering graphics, CAD technologies, 3D modeling, visualization, technical education, digital learning, cognitive development, engineering imagination, professional training of students.