Презентация на тему 3д моделирование. Прошлое и настоящее схемотехники. II. Усвоение новых знаний

ПРЕЗЕНТАЦИЯ ПРОЕКТА «ВНЕДРЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ 3D- МОДЕЛИРОВАНИЯ В ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫХ ОРГАНИЗАЦИЙ БЕЛГОРОДСКОЙ ОБЛАСТИ" Департамент образования Белгородской области ОГАОУ ДПО «БЕЛГОРОДСКИЙ ИНСТИТУТ РАЗВИТИЯ ОБРАЗОВАНИЯ» Доцент кафедры естественно-математического образования и информацииииионных технологий ОГАОУ ДПО «БелИРО» Корнилова Евгения Анатольевна 1

ВВЕДЕНИЕ В ПРЕДМЕТНУЮ ОБЛАСТЬ (ОПИСАНИЕ СИТУАЦИИ «КАК ЕСТЬ») 2 Задачи, стоящие перед современной системой образования (ФГОС ООО п. I, пп. 6) Выпускник, ориентирующийся в мире профессий Выпускник, способный применять полученные знания на практике Выпускник активно и заинтересованно познающий мир Проблемы современной школы по результатам опросов учителей Недостаточное количество практически значимых заданий Слабая профориентация обучающихся Недостаточность применения активных методов обучения Решение задач Решение проблем Усиление практической направленности обучения, в том числе, исследовательской и проектной деятельности обучающихся с применением технологий 3D-моделирования Описание задач, проблем и перспектив современной школы

ВВЕДЕНИЕ В ПРЕДМЕТНУЮ ОБЛАСТЬ (ОПИСАНИЕ СИТУАЦИИ «КАК ЕСТЬ») 3 ! ! Воспри- ятие информацииии Воспри- ятие информацииии Иллюстрация Фильмы, выставки, экскурсии Участие в дискуссиях Моделирование словесная расшифровка 20% то, что слышим 10% то, что читаем 30% то, что видим 50% то, что видим и слышим 70% то, что говорим 90% то, что говорим и делаем визуальная расшифровка восприятие и участие деятельность

4 3D моделирование - это процесс создания трехмерной модели объекта. Задача 3D моделирования - разработать визуальный объемный образ желаемого объекта. С помощью трехмерной графики можно и создать точную копию конкретного предмета, и разработать новое, даже нереальное представление до сего момента не существовавшего объекта. Трёхмерное изображение на плоскости включает построение геометрической проекции трёхмерной модели сцены на плоскость (например, экран компьютера) с помощью специализированных программ. ВВЕДЕНИЕ В ПРЕДМЕТНУЮ ОБЛАСТЬ (ОПИСАНИЕ СИТУАЦИИ «КАК ЕСТЬ») Категориально-понятийный аппарат

ВВЕДЕНИЕ В ПРЕДМЕТНУЮ ОБЛАСТЬ (ОПИСАНИЕ СИТУАЦИИ «КАК ЕСТЬ») 5 Результаты педагогических исследований и опросов педагогов 2014 года Уровень владения технологиями 3D-моделирования Педагоги Обучающиеся 1,0 % школ Наличие 3D-принтеров 1,0 % школ 10,0 % Владение знаниями в области 3D- моделирования (прошли обучение) 20,0 % 10,0 % Владение умениями в области 3D- моделирования 20,0 % 5,0 % Владение навыками в области 3D- моделирования 2,0 % 1,0 % Владение умениями применять в образовательной практике технологии 3D- моделирования 1,0 % 0,5 % Системное техническое применение в образовательном процессе технологий 3D- моделирования 0,5 %

ЦЕЛЬ И РЕЗУЛЬТАТ ПРОЕКТА Цель проекта: Повышение не менее, чем на 3 % доли участников образовательного процесса, системно применяющих в учебной и внеучебной деятельности технологии 3D-моделирования к концу 2017 года Способ достижения цели: Получение знаний, умений и навыков педагогами и обучающимися в области применения технологий 3D-моделирования Результат проекта: Не менее 200 исследовательских работ, проектов обучающихся, подготовленных с применением технологий 3D – моделирования к концу 2017 года Требования к результату: 1. Разработана дополнительная профессиональная программа повышения квалификации «Автоматизация трёхмерного проектирования в образовательной организации», содержащая модуль «Методика автоматизации трёхмерного проектирования в образовательной организации». 2. Обучено по дополнительной профессиональной программе повышения квалификации «Автоматизация трёхмерного проектирования в образовательной организации» не менее 250 педагогических работников области. 3. Опубликована серия методических рекомендаций для педагогических работников по применению 3D-моделирования в образовательном процессе по конкретным предметам (не менее 7). 4. Опубликована серия алгоритмов осуществления 3D-моделирования для обучающихся образовательных организаций (не менее 7). 5. Подготовлены и проведены семинары «Методические аспекты применения технологий 3D- моделирования в образовательном процессе» (не менее 10). 6. Проведён региональный конкурс исследовательских работ обучающихся, подготовленных с применением технологий 3D-моделирования. 7. Проведён региональный конкурс проектов обучающихся, подготовленных с применением технологий 3D-моделирования. Пользователи результата проекта: Школьники, учащиеся СПО, педагогические работники Белгородской области 6

ВВЕДЕНИЕ В ПРЕДМЕТНУЮ ОБЛАСТЬ (ОПИСАНИЕ СИТУАЦИИ «КАК БУДЕТ») 7 Результаты педагогических исследований и опросов педагогов 2017 года Уровень владения технологиями 3D-моделирования Педагоги Обучающиеся 1,0 % школ 40,0 % школ Наличие 3D-принтеров 1,0 % школ 40,0 % школ 10,0 %30,0 % Владение знаниями в области 3D- моделирования (прошли обучение) 20,0 %40,0 % 10,0 %30,0 % Владение умениями в области 3D- моделирования 20,0 %40,0 % 5,0 %25,0 % Владение навыками в области 3D- моделирования 2,0 %5,0 % 1,0 %5,0 % Владение умениями применять в образовательной практике технологии 3D- моделирования 1,0 %5,0 % 0,5 %3,5 % Системное применение в образовательном процессе технологий 3D-моделирования 0,5 %3,5 %

8 Задачи, стоящие перед современной системой образования (ФГОС ООО п. I, пп. 6) Выпускник, ориентирующийся в мире профессий Выпускник, способный применять полученные знания на практике Выпускник активно и заинтересованно познающий мир Решение проблем современной школы по результатам опросов учителей Решение практически значимых заданий Профориентация обучающихся Применение активных методов обучения Передают и получают знания, умения и навыки (компетенции) на уроках, во внеурочной деятельности, в дополнительном образовании Применение полученных компетенций в учебной деятельности Системное применение в исследовательских работах и проектах по профилю будущей профессии Описание решения задач и проблем современной школы ВВЕДЕНИЕ В ПРЕДМЕТНУЮ ОБЛАСТЬ (ОПИСАНИЕ СИТУАЦИИ «КАК БУДЕТ»)

ОСНОВНЫЕ БЛОКИ РАБОТ ПРОЕКТА Наименование Длит., дней Нача ло Оконч ание 2014 год 2015 год Повышение уровня знаний и умений в области 3D- моделирования Разработка дополнительной профессиональной программы повышения квалификации «Автоматизация трёхмерного проектирования в школе и сузе», содержащей модуль «Методика автоматизации трёхмерного проектирования в школе и сузе» Обучение по дополнительной профессиональной программе повышения квалификации «Автоматизация трёхмерного проектирования в школе и сузе» не менее 250 педагогических работников области

ОСНОВНЫЕ БЛОКИ РАБОТ ПРОЕКТА Наименование Длитель ность, дней Начало Окончание 2015 год 2016 год Актуализация дополнительной профессиональной программы повышения квалификации «Автоматизация трёхмерного проектирования в школе и сузе», содержащей модуль «Методика автоматизации трёхмерного проектирования в школе и сузе» Обучение по дополнительной профессиональной программе повышения квалификации «Автоматизация трёхмерного проектирования в школе и сузе» не менее 250 педагогических работников области Подготовка методических материалов Подготовка и публикация серии методических рекомендаций для педагогических работников по применению 3D-моделирования в образовательном процессе по конкретным предметам Подготовка и публикация серии алгоритмов осуществления 3D- моделирования для обучающихся образовательных организаций

ОСНОВНЫЕ БЛОКИ РАБОТ ПРОЕКТА Наименование Длител ьность, дней Начало Окончание 2016 год 2017 год Обучение педагогических работников Подготовка и проведение семинаров «Методические аспекты применения технологий 3D-моделирования в образовательном процессе" Организация и проведение конкурсов Организация и проведение региональных конкурсов исследовательских работ обучающихся, подготовленных с применением технологий 3D-моделирования Организация и проведение региональных конкурсов проектов обучающихся, подготовленных с применением технологий 3D- моделирования Размещение в СМИ и Интернет- ресурсах информацииииии о 3D- моделировании Итого

УЧАСТИЕ БЮДЖЕТОВ В ПРОЕКТЕ 12 Форма участия Размер участия бюджета, тыс. руб. Федеральный ОбластнойМестный Прямое бюджетное финансирование «Развитие образования Белгородской области на годы» Подпрограмма 5 «Государственная политика в сфере образования» Инфраструктура: Дороги 12 Указать плановую протяженность Электроэнергия 12 Указать требуемую мощность Газоснабжение 12 Указать требуемый объем Водоснабжение 12 Указать требуемый объем Субсидии 12 Обеспечение Гарантии 12 Залоги 12 Прочие формы участия 12 ИТОГО: Земельный участок Указать адрес расположения земельного участка Указать площадь земельного участка Указать расчетную стоимость участка

ПОКАЗАТЕЛИ СОЦИАЛЬНОЙ, БЮДЖЕТНОЙ И ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЕКТА 1Социальная эффективность 1.1Охват населения социальными благами за период реализации проекта Тыс. чел.2,75 1.2Новые рабочие места Ед. 1.3Средняя з/п Тыс. руб. 1.4Месячный ФОТМлн. руб. 1.5Годовой ФОТМлн. руб. 1.6Доля преподавателей, повысивших квалификацию по применению 3D-принтеров в образовательном процессе %10 2Бюджетная эффективность 2.1Участие бюджетных источников в проекте Млн. руб. 2.2Налоги в консолидированный бюджет области Руб. 2.3Налог с 1 работника в консолидированный бюджет области Млн. руб. 2.4Срок окупаемости бюджетных инвестиций Лет 2.5Снижение возможного ущерба Млн. руб. 2.6Экономия бюджетных средств Млн. руб. 3Экономическая эффективность 3.1Годовой объем выручки 13 Млн. руб. 3.2Годовой объем прибыли 13 Млн. руб. 3.3Рентабельность% 3.4Срок окупаемости проекта Лет 3.5 Объем инвестиций в основной капитал в рамках проекта Млн. руб. 3.6 Объем инвестиций, осваиваемых на территории области Млн. руб. 3.7Иные показатели 13 после выхода хозяйствующего субъекта на проектную мощность

КОМАНДА ПРОЕКТА ФИОДолжность и основное место работы Выполняемые в проекте работы 1. Медведева Ольга Ильинична Первый заместитель начальника департамента образования Белгородской области – начальник управления общего, дошкольного и дополнительного образования Куратор проекта 2. Корнилова Евгения Анатольевна Заведующий кафедрой естественно- математического образования и информацииииионных технологий ОГАОУ ДПО «Белгородский институт развития образования» Руководитель проекта 3. Раевская Мария Викторовна Старший методист центра МОРО ОГАОУ ДПО «Белгородский институт развития образования» Администратор проекта 4. Трапезникова Ирина Валентиновна Доцент кафедры естественно- математического образования и информацииииионных технологий ОГАОУ ДПО «Белгородский институт развития образования» Оператор мониторинга проекта 5. Вакансия Представители муниципальных органов управления образованием Ответственные за повышение квалификации, внедрение 3D- принтеров в учебный процесс 39 14

Руководитель проекта: Корнилова Евгения Анатольевна тел.: Администратор проекта: Раевская Мария Викторовна тел.: КОНТАКТНЫЕ ДАННЫЕ: 15

Cлайд 1

Моделирование 3-d наносхемотехники Россия, Москва Московский институт электроники и математики (МИЭМ) Руководитель научного направления д.т.н., профессор Трубочкина Надежда Константиновна [email protected] http://nadin.miem.edu.ru

Cлайд 2

Актуальность Нанотехнологии и нанонауки, многофункциональные материалы, основанные на новых знаниях и предназначенные для новых производственных процессов и устройств. Промышленность и общество могут извлечь пользу из новых знаний посредством разработки новых продуктов и технологических процессов. Необходима согласованность национальных исследовательских программ и инвестиций. Это должно гарантировать обеспечение страны командами и соответствующей инфраструктурой, нацеленными на решение актуальных задач.

Cлайд 3

Cлайд 4

Cлайд 5

Новизна Представлен новый подход к пониманию и освоению свойств трехмерных интегральных схем. Разработана соответствующая подходу схемотехника. Разработано программное обеспечение, позволяющее синтезировать новые интегральные структуры, а также «совершать экскурсию» внутрь интеллектуального кристалла и «гулять» там.

Cлайд 6

Теория Разработана переходная схемотехника для 3-d СБИС. Компонент схемотехники - физический переход между материалами с различными свойствами. Математические модели интеллектуальных элементов содержат минимальное количество переходов и физических областей с различными свойствами. Некоторые модели «совпадают» по структуре с органическими молекулами, имеющими те же логические функции.

Cлайд 7

Теоретические основы переходной схемотехники (ТОПС 1) Математической моделью функционально-интегрированного элемента (ФИЭ) является неориентированный граф G (X, А, Г), где: X = (х1, х2, …хN) – множество вершин, А = (а1,а2,…аМ) – множество ребер. Предикат Г является трехместным предикатом и описывается логическим высказыванием Г (xi, ak, xj), которое означает, что ребро aк соединяет вершины хi и xj.

Cлайд 8

ТОПС 2 Элементу множества вершин хi соответствует часть интегральной структуры Fi Тi , в которой Тi определяет качественный состав части интегральной структуры, Fi – элемент функционального множества. Т = {Ti}(i=1,n) = (p,n,p+,n+,…SiO2, Al, Ga…) = П U Д U М – множество элементов типа частей структуры (р – полупроводниковая область р-типа, n – полупроводниковая область n-типа, SiO2 – область двуокиси кремния, Аl – область алюминия, Ga – область галия и т.д.), П – подмножество областей полупроводников, Д – подмножество областей диэлектриков, М – подмножество проводников.

Cлайд 9

ТОПС 3 Функциональное множество F = Fy U FH состоит из двух подмножеств: Fy = {Fyi} = (E1,…,Ek1,I1,…,Ik2,φ1,…,φk3…) подмножества управляющих воздействий в виде напряжения Еi, тока Ij, света φк и FH = {FHi} = (вх1,…,вхm,вых1,…,выхn) подмножества назначения, задающего входные и выходные функции областям из подмножества Т, по отношению к которым определяются передаточные характеристики элементов. N – число областей интегральной структуры, размерность элемента.

Cлайд 10

ТОПС 4 Элементам множества ребер ак, аi соответствуют переходы между различными частями интегральной структуры, выполняющие определенные функции, причем существуют xi, xj (хi ≠ xj & Г (xi , ак, xj) & Г (xj , ак, xi). Примерами переходов – компонентов переходной схемотехники – являются: Пi – Пj переход - переход между полупроводниками, например, р – n переход, переход между полупроводниками р и n типа, выполняющий диодную функцию, Пi – Дj переход - переход между полупроводником и диэлектриком, Пi – Мj переход - переход между полупроводником и металлом (диод Шоттки), переходы между прозрачными и непрозрачными слоями в оптоэлектронных элементах, мембраны в биологических элементах и т.д, Инциндентор Г (xi, ak, xj) означает, что область xi, имеет с областью xj физическую границу – переход ak.

Cлайд 11

ТОПС 5 Графовые модели интегральных элементов могут представлять собой деревья, а могут содержать и циклы. цепь открытий и изобретений, давших три последних поколения вычислительных машин, всего лишь начальные элементы таблицы оптимальных математических моделей элементов переходной (p-n) схемотехники.

Cлайд 12

ТОПС 6. Генерация структур Процедура генерации структурных формул интегральных структур по математической модели элемента переходной схемотехники: а) – структурная формула элемента И-НЕ, б) – структура элемента, выполненного по эпитаксиально-nланарной технологии, в) – структурная формула И-НЕ, г) – структура элемента с локальными эпитаксиальными областями, д) – структурная формула И-НЕ, е) – структура элемента с многослойной (трехмерной) конструкцией

Cлайд 13

Пример проектирования ФИЭ а) – математическая модель (объединение двух n-p-n транзисторов по эмиттерам и коллекторам), б) – вертикальная оптимальная интегральная структура, в) – вертикальная структура с разбиением вершины nвых, г) – горизонтальная структура на изоляторе Уравнение синтеза

Cлайд 14

RS-триггер в переходной схемотехнике Уравнение синтеза RS-триггер в переходной схемотехнике: а) – структура, б) – топология

Cлайд 15

N-разрядный регистр на RS-триггерах в переходной схемотехнике а) – уравнение синтеза, б) – ДНК, в) – интегральная структура, г) – топология одного разряда

Cлайд 16

Биочипы (подобие углеродной и кремниевой переходных схемотехник) На рисунке показан синтез комплиментарной цепи ДНК из нуклеотидов, модели которых удивительно похожи на математические модели триггеров в переходной схемотехнике.

Cлайд 17

Программное обеспечение (ПО 1) SGenerator – генерация 2-d интегральной структуры по математической модели ФИЭ

Cлайд 18

Cлайд 19

Cлайд 20

Cлайд 21

Cлайд 22

Cлайд 23

Те объекты, которые мы видим вокруг себя: чашку, кота, монитор, книги, можно потрогать руками, изменить их. Значит они вполне реальны. Даже ветер вполне реальное явление, ведь его воздействие может изменять объекты. Реальные объекты всегда подчиняются физическим законам.

Программист создает математические описания (представления) объектов и явлений реального или выдуманного им мира, но не сами объекты и явления. Такие представления и называют виртуальными объектами, т.к. они существуют лишь в памяти компьютера (вне памяти виртуальных объектов просто нет).

М ОДЕЛИРОВАНИЕ В процессе моделирования создаются объекты-модели, цель которых заместить объект-оригинал при изучении. При этом модель должна содержать значимые для данного исследования (опыта) черты (свойства) оригинала, а незначительные для данного исследования можно опустить (игнорировать).

Ч ЕТЫРЕХМЕРНОЕ ПРОСТРАНСТВО И СРЕДЫ ТРЕХМЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ Известно декартово представление пространства как трех взаимно перпендикулярных осей (измерений): X, Y и Z (длины, ширины и высоты). Изменение объектов также происходит вдоль четвертого измерения – времени. Таким образом, мы получаем четырехмерное пространство, в нем и существуют реальные объекты.

Для того, чтобы смоделировать четырехмерное пространство на компьютере существуют среды трехмерного моделирования. Такая среда позволяет моделировать область пространства, наблюдать его из различных точек (изменять угол зрения), передвигать и изменять объекты. Во многих средах трехмерного моделирования можно не только создавать объекты, но и анимировать их (изменять их положение и свойства во времени).

Компьютерных программ, позволяющих создавать трехмерную графику достаточно много. Одной из них является Blender, изучению некоторых основ работы с которым посвящён данный курс. Blender свободный пакет для создания трёхмерной компьютерной графики, включающий в себя средства моделирования, анимации, рендеринга, постобработки видео, а также создания интерактивных игр

Blender, по-сравнению с другими средами трёхмерного моделирования, обладает двумя видимыми преимуществами: 1.Бесплатность распространения и свобода копирования. 2. Наличие движка, позволяющего создавать анимацию реального времени (интерактивные модели).

Применение 3d-принтера на уроках информатики
Лунева София Николаевна, учитель информатики и ИКТ, МБОУ «Средняя общеобразовательная школа №21» г. Старый Оскол

PICASO 3D Designer
http://picaso-3d.com/

Класс Тема урока Тема практической
7 Модели объектов и их назначение «Создание крепости из графических примитивов программы 123D Design»
7 Информационные модели «Использование инструментов Extrude, Text для создание именного брелока в программе 123D Design».
9 Графические модели «Смоделировать судно или машину с использованием следующих инструментов: рolyline, spline, extrude без использования готовых фигур в программе 123D Design»
10 Формализация и визуализация моделей. «Инструменты split solid, chamfer, loft в моделировании Робота-трансформера в программе в программе 123D Design»
10 Компьютерное исследование моделей «Режим Скульптинг для создания моделей животных в программе Blender»

Дизайнерские часы
1 этап. Дизайн
2 этап. Чертеж
3 этап. Печать
3 этап. Сбор и покраска моднли

Декоративный вентилятор «Мельница»
Цель проекта: Создание портативного вентилятора, необычной формы. Задачи проекта: 1. Используя знания в области физики, подготовить составляющие цепи для пуска двигателя. 2. Собрать цепь, состоящую из двигателя, батарейки и тумблера. 3. Изучить инструменты программы 123D Design для создания частей мельницы (основания пирамиды, короба, лопастей). 4. Сборка мельницы и цепи.

Моделирование и печать

Ночник «Маяк»

Старооскольская игрушка
Цель проекта: Возрождение народных традиций Белгородской области посредством создания модели глиняной расписной игрушки в соответствии с образами игрушек старооскольских мастеров. Приобретение навыков работы с 3d-редактором Blender в режиме Скульптинг.
Задачи проекта: 1. Поиск информации об особенностях и традициях изготовления старооскольской глиняной игрушки: форма, образы и декор. 2. Поиск информации об особенностях росписи старооскольской глиняной игрушки: основные цвета и элементы, их значение. 3. Поиск подходящих инструментов в программе Blender для создания модели в соответствии с традициями изготовления. 4. Создание модели из пластилина, для того чтобы прочувствовать особенности работы с формой и ее пропорциональные соотношения. 5. Создание моделей в программе Blender. 6. Роспись моделей в соответствии с традициями росписи старооскольской игрушки. 5. Создание платформы для размещения проекта. 6. Печать проекта на 3d-принтере. 4. Роспись проекта акриловыми красками. 5. Сборка проекта.

Построение пластилиновой модели согласно традициям: Изображения людей - монолитные, скупые на детали - близки древним примитивным фигуркам. Неширокая юбка-колокол у барынь плавно переходит в короткое узкое тело и завершается конусообразной головой, составляющей одно целое с шеей. Головы фигурок венчают затейливые шляпки с неширокими полями.

Режим Скульптинг в Blender
Используется для создания персонажей
Используя команду Subdivide, которая доступна при нажатии клавиши W в режиме редактирования в 3D-окне, подразделяем объект.

Разнообразие кистей в Blender
Настройка размера и силы нажатия кисти
Grab используется, чтобы тащить группу точек, ближних к кисти.
Inflate (Надувать)

Солнечные часы

Математический тир
Цель исследования: Научиться строить чертежи, используя транспортир и свойства различных углов. Задачи исследования: Изучить учебную и научную литературу по теме исследования. Смоделировать и распечатать стойки для зеркал, мишень и стойку для направления луча. Провести эксперимент не используя расчеты. Построить чертежи в натуральную величину, используя расчеты и свойства различных углов. Разработать алгоритм их построения.

Каждый из участников исследования строит свой чертеж для исследования путем проб и ошибок оптимизируя задачу. Чертеж 30 градусов: 1. Чертеж начинается от тумбы с лазерной указкой. 2. Стойку № 1 располагают перпендикулярно тумбе. 3. Луч (схематично) направляют от тумбы под углом 30 градусов касания стойки (производится коррекция положения стойки так, чтобы луч попадал посередине стойки). Длина стойки № 1 = 9 см. 4. Рассчитываем угол падения следующим образом 180-30-90, так как стойка и тумба образуют прямоугольный треугольник. 5. Угол отражение должен быть равен углу падения, строят его используя транспортир. 6. Дальнейшее построение можно вести симметрично, только от мишени. 7. В итоге образуется пересечение лучей для второй стойки, остается рассчитать как ее правильно расположить и наметить место для ее расположения. 8. Узнаем с помощью транспортира угол a, рассчитываем какими должны быть углы падения и отражения (180 – a)/2 – каждый, так как они и угол a являются частью развернутого угла, на котором должна стоять стойка № 2. 9. Достраиваем развернутый угол