COMPUTER ASSISTED INSTRUCTION
IN
COMPUTER AIDED SHIP DESIGN
EGBERTUS DEETMAN
TR diss
1512
l i j /iVi
^
si>- K*
1
COMPUTER ASSISTED INSTRUCTION
IN
COMPUTER ASSISTED INSTRUCTION
IN
COMPUTER AIDED SHIP DESIGN
PROEFSCHRIFT
TER VERKRIJGING VAN
DE GRAAD VAN DOCTOR
IN DE TECHNISCHE WETENSCHAPPEN
AAN DE TECHNISCHE UNIVERSITEIT DELFT,
OP GEZAG VAN DE RECTOR MAGNIFICUS,
PROF.DR. J.M. DIRKEN,
IN HET OPENBAAR TE VERDEDIGEN
TEN OVERSTAAN VAN HET COLLEGE VAN D E K A N E N
s' - % ;
OP DINSDAG 25 NOVEMBER 1986 TE
14.O0^UÜR C:;\
OOOr O prome'hr:•<-.?:;ifi 'I —
VSL DELFT # /
EGBERTUS DEETMAN >P y
SCHEEPSBOUWKUNDIG INGENIEUR ^ - ^
GEBOREN TE 'S-GRAVENHAGE
DELFTSE UNIVERSITAIRE PERS/1986
TR diss^
1512
Dit proefschrift is goedgekeurd door de promotoren
Prof.dr. J. Vastenhouw Prof.dr.ing. C. Gallin
Copyright © 1986 by E. Deetman, The Netherlands
All rights reserved
No part of the material protected by this copyright notice may be reproduced
or utilized in any form or by any means, electronic or mechanical, including
photocopying, recording or by any information storage and retrieval system,
without written permission from the author.
Aan mijn vrouw en dochters
aan mijn ouders
Inhoudsopgave
Summary i x
Hoofdstuk b l z
I . I n l e i d i n g 1
II. De beroepsinhoud van naval architect 3
De ontwerper 5 Het ontwerpproces 6 Het heden: rekenen met en tekenen zonder de computer 11
De toekomst: rekenen en tekenen met de computer 12
Samenvatting 13 III. De opleiding van de naval architect 15
De huidige opleiding in ontwerpen 17 Naar de gewenste opleiding van de CAD-gebruiker 19
De opleidingsproblemen in de overgangsfase naar CAD 21 Een mogelijke oplossing: toepassen van een ISS 24
Het onderwijsleerproces voor CASD 26 Leren door middel van de computer 31
Samenvatting 34 IV. Onderwijskundige achtergronden van CAI in CAD 36
Een aantal mogelijkheden waaruit men met CAI kan kiezen .... 37
Wat kan men van CAI verwachten? 41 Waarop letten bij programmeren van de mens-machine
dialoog? 47 De onderwijsmiddelen voor CAI 54
Taakanalyse met behulp van de taxonomie van Bloom 59 De onderwijsmaatregelen van Gagne in de CAI-dialoog 64
Samenvatting en konklusie 67 V. Konstruktie van CAI in CAD 69
Het oefenprogramma voor de adspirant CAD-gebruiker 70 Ontwikkelen van het kursusmateriaal voor CAI in CAD 80
Format ieve evaluat ie 89 Summatieve evaluatie 94 Onderwijsevaluatie 96 Systeemorganisatie van het oefenprogramma 100
VI. Evaluatie van CAI in CAD 110
Opzet en uitvoering van het onderzoek 111
Effektiviteit van adjunct CAI 118 Aanvaardbaarheid van adjunct CAI 127 Funktionaliteit van adjunct CAI 131 Samenvatting en konklusie . 137 VII. Nabeschouwing 139 Geraadpleegde literatuur 144 Bijlage blz A. TENTAMEN JANUARI 1986 155 B. STEEKPROEFRESULTATEN 1986 163
Tabellen
Tabel blz 1. KOGNITIEVE DOELSTELLINGEN-DIDAKTISCHE METHODEN MATRIX 27
2. RELATIES TUSSEN CAD ONDERWIJSFUNKTIES EN -PROCEDURES 28
3. OVERZICHT GEWENST CAD ONDERWIJSLEERPROCES 29
4. BEGELEIDING VAN HET LEERPROCES 70
5. RETENTIE EN TRANSFER 77 6. DOELSTELLING EN CAD-INVOER/-UITVOER 77
7. SCHERMBEELDFORMULIER: VOORBEREIDEN VAN EEN LEERTAAK 81
8. PLAATS VAN HET ALTERNATIEF 90 9. FORMATIEVE EVALUATIE 92 10. CAD-INVOER VAN STUDENT NUMMER 12 95
11. STAND VAN ZAKEN 96 12 . ONDERZOEKOPZET 112 13. CHRONOLOGISCH OVERZICHT UITVOERING 116
14. TENTAMENRESULTAAT VRIJBOORD 118 15. INVLOED GROEPSINDELING OP TENTAMENRESULTAAT 120
16. INVLOED PRETESTRESULTAAT OP TENTAMENRESULTAAT 122 17. INVLOED ONDERWIJSLEERPROCES OP TENTAMENRESULTAAT 125 18. ATTITUDE T.O.V. ONTWERPEN, CAI EN HET KURSUSMATERIAAL 126
19. ATTITUDE T.O.V. DE DIALOOG 128 20. GESCHATTE TIJDSBESTEDING AAN ONDERWIJS VAN CAD I 130
Figuren
Figuur blz 1. ONTWERPPROCES 8
2. DE ONTWERPOEFENINGEN EN HET KOLLEGE CAD 1 30 3. VOORBEELD VAN EEN TUTORIELE DIALOOG 66 4. DIALOOG VOOR HET OPLOSSEN VAN PROBLEMEN 72 5. DIALOOG VOOR HET KIEZEN VAN DE LEERTAKEN 74
6. SYSTEEMORGANISATIE 106
-Symbolenlijst A A ACN ACV ADN ADV AKN AKV ALFA AON AOV Al AlCAD A2 A3 aanwezigheid attitude t.o. attitude t.o. attitude t.o. attitude t.o. attitude t.o. attitude t.o. op . V. . V. . V. . V. . V. . V. 2 hoorkolleges en Ie instruktie ... het nut van CAI na tentamen ... 125 het nut van CAI voor CAI 125 de dialoog na tentamen ... 127 de dialoog voor CAI ... 127
het kursusmateriaal na tentamen ... het kursusmateriaal voor CAI ... 12 betrouwbaarheidskoefficient ... 118 attitude t.o. attitude t.o. aanwezigheid aanwezigheid aanwezigheid aanwezigheid . V. . V. op op op op ontwerpen na tentamen ... 125 ontwerpen voor CAI . . . 125 eerste hoorkollege ... 124 2 hoorkolleges en 2 instrukties ... tweede hoorkollege ... 124 Ie instruktie ... 124 B B boodschap ... 91
BH werkelijke boeghoogte op voorloodlijn (mm) ... 85 B2 tentamenopgave 2 in kognitieve gebied begrip ... 119 B5 tentamenopgave 5 in kognitieve gebied begrip ... 119 C
CAD aanwezigheid op de 2e instruktie over CAD ... 124 CADC CAD-berekening ... 91
CADI CAD-invoer ... 91
CB volheidskoefficient op 85% van D ... 85 CHIKWA de statistische grootheid chi-kwadraat ... 119 D
D holte naar de mal (m) ... 85
DEC holtekorrektie voor basisvrijboord. (mm) ... 85 DS bovenbouwkorrektie voor basisvrijboord (mm) ... 85 E
EE tentamenopgave in kognitieve gebied evaluatie ... 11 EG aantal studenten in'de experimentele groep ... 118 F
F basisvrijboord (mm) ... 85
F de statistische grootheid F ... 118
FCB basisvrijboord gekorrigeerd voor CB (mm) ... 85 FM negatieve faalangst ... 119
G
GROEP groep studenten ... 118 H
HAT HS1 HS2 HS3
eerste of tweede klasse afsluitmiddelen ... 85 werkelijke hoogte kampanje (m) ... 85
werkelijke hoogte brug of voll. bov. bouw (ra) ... 85 werkelijke hoogte bak (m) ... 85
K KG KG' K2 K3
aantal studenten in de kontrole groep ... 118 aantal studenten in KG minus bijzonder geval ... 119 tentamenopgave 2 in kognitieve gebied kennis ... 119 tentamenopgave 3 in kognitieve gebied kennis ... 119
L L LSI LS2 LS3
lengte tussen vrijboordloodlijnen (m) ... 85 gemiddelde lengte kampanje (m) ... 85
gemiddelde lengte brug of voll. bov. bouw (m) gemiddelde lengte bak (m) ... 85
85
M MBH MM MSY
kleinst toelaatbare boeghoogte (mm) ... 85 moeilijkheidsgraad van CAI-opgave t3 ... 132 moeilijkheidsgraad van CAI-opgave ss ... 132 N
N NA
a a n t a l s t u d e n t e n . . . 118
VWO-cijfer voor natuurkunde 123
P
p overschrijdingskans ... 118
P verantwoordelijkheidsbesef ... 119
PB CAD-invoer als opgave in kognitieve gebied begrip ... 121 PMAX hoogste score op de prestes ... 121
PMIN laagste score op de pretest ... 121 PRE somscore over alle pretestopgaven ... 121 PRES naar SOM genormeerde somscore PRE ... 121 PREMAX maximum te behalen score op de pretest ... 121
PI pretestopgave 1 in kognitieve gebied toepassing ... 121 P2 pretestopgave 2 in kognitieve gebied toepassing ... 121 P3 pretestopgave 3 in kognitieve gebied toepassing ... 121 P4 pretestopgave 4 in kognitieve gebied toepassing ... 121
Q01 antwoord op attitude-vraag 1 na tentamen ... 169
s
SA1 zeeg op achterloodlijn (m) ... 85 SA2 zeeg op 1/6 L uit achterloodlijn (m) SA3 zeeg op 1/3 L uit achterloodlijn (m)
SC zeegkorrektie voor basisvrijboord (mm) ... 85 SE standaard meetfout ... 118
SE**2 "error score" variantie ... 118 SF1 zeeg op voorloodlijn (m) ... 85 SF2 zeeg op 1/6 L uit voorloodlijn (m) SF3 zeeg op 1/3 L uit voorloodlijn (m) SOM somscore over alle tentamenopgaven
SOMNAX maximum te behalen score over alle tentamenopgaven .. SP dikte van de stringerplaat (m) ... 85
SS tentamenopgave in kognitieve gebied synthese ... 119 ST**2 "true score" variantie ... 118
SX standaard afwijking ... 118 SX**2 variantie ... 118 85 85 85 85 119 118 T t de statistische grootheid t ... 118 TDE dikte van de dekbedekking (m) ... 85 TIM wel of geen deklast hout ... 85
TMAX hoogste score over alle tentamenopgaven ... 118 TMIN laagste score over alle tentamenopgaven ... 118 TYP scheepstype B, B-60, B-100, A ... 85
Tl tentamenopgave 1 in kognitieve gebied toepassing T2 tentamenopgave 2 in kognitieve gebied toepassing T3 tentamenopgave 3 in kognitieve gebied toepassing T4 tentamenopgave 4 in kognitieve gebied toepassing
119 119 119 119 V VMAX VMIN V01 VI V2
hoogste score VWO-cijfer WN ... 119 laagste score VWO-cijfer WN ... 119
antwoord op attitude-vraag 1 voor CAI-oefening verklaring van eerste antwoord ... 91
verklaring van tweede antwoord ... 91
.. 168
W WN Wl W2
gemiddeld VWO-cijfer voor wiskunde en natuurkunde VWO-cijfer voor wiskunde 1 ... 123
VWO-cijfer voor wiskunde 2 ... 165
119
X
SUMMARY
The principal experience with adjunct CAI (which supplements the traditional learning situation) in CAD will be discussed in the following format:
After the introduction, in which the subject matter of research is mentioned, the second chapter briefly describes the naval architect profession. In chapter 3 the education for this profession is discussed, while chapter 4 discusses the educational background for the benefit of the development of CAI in CAD. Chapter 5 describes the construction of CAI in CAD. Within chapter 6, the results of an investigation towards the feasibility of the system in the practice of education is analysed. Finally chapter 7 provides recommendations for the sake of teachers, who would like to introduce such a system.
1. INTRODUCTION
At the Delft University of Technology a new kind of adjunct CAI has been developed for the benefit of teaching in designing with CAD. In the study, the attention is directed towards the specific CAD instruction methodology. It is not the intention to determine if education based on CAI yields better results than the traditional way of education. Literature has already determined this fact.
2. THE PROFESSION OF THE NAVAL ARCHITECT
Designing is an iterative and interactive process, where, besides performing drawings.and calculations, many decisions have to be made. Ship design is a goal-directed problem solving activity. Design is also a creative activity; it means the development of something new, which did not exist before. The final result, the ship, is a very complex product including a great deal of compromising between different limiting conditions. These are caused by the need to integrate, within one product, many, sub-systems with their particular specifications.
Therefore, ship design problems can be treated in a systematical way. One of the possibilities is to execute the design process in three phases. At first the problem is broken down into pieces, which are seperately examined (analysis). Then the pieces are integrated together in a new way (synthesis). Finally it is tested to discover the technical, social and economical consequences of putting the new arrangement into practice (evaluation). The phases are
completed respectively with the concept-definition, the preliminary design and the contract-design.
In the traditional design process without a computer as, a rule the designer has no time to investigate more than a few alternative solutions of the problem. By inserting CAD to perform the calculations and drawings, it is expected that the designer can concentrate solely on the creative thinking process; through which he is able to select the best solution to the problem out of a great number of alternative solutions. THE EDUCATION OF THE NAVAL ARCHITECT
The objective of the education of the CAD-user in the field of naval architecture is to inform him of the existence of the CAD approach to design maritime objects and to teach him the basic knowledge and intellectual skills to enable him to use an existing CAD-system.
Besides foreknowledge of the introductory lectures in naval architecture, mathematics, physics and structural mechanics, the students need some experience in programming and drawing. It is supposed that this knowledge and intellectual skills will be taught in the first year at the Delft University of Technology.
In the second year the education of the CAD-user of maritime software has to be started. The theory of the analysis phase in the design process has to be taught in lectures. The teacher presents the theory and practical examples on a CAD workstation, which the students simultaneously monitor on their own workstation. After the students are assigned a personal project to solve independently, which would be a concept-definition of a basic ship from literature. At the same time they will be able to train their intellectual skills in the use of CAD by adjunct CAI in CAD programs.
The teacher can make a formative evaluation of the study performance by the use of the CAI-manaqement-system and can discuss the attained results in discussion-groups. The summative evaluation will be done by means of a written examination, in which knowledge and intellectual skills in the subject matter of teaching CAD can be tested. With the information from the management-system it is possible to evaluate the courseware.
EDUCATIONAL BACKGROUNDS OF CAI IN CAD
The topic of this study was the development of CAI for education in the use of CAD-calculation programs. Next it should be checked if this kind of education is effective, efficient and functional, and in which way student and teacher can appreciate the new CAI-method.
-First of all, to practice fundamentals, it was necessary to conduct a literature search to determine the existing experience with a. number of well . known CAI-systems, among others PLATO and TICCIT. From this became obvious:
In comparison with traditional educational methods, the aims of education always were achieved, sometimes the effectiveness was improved, that is if adjunct CAI was used in the educational process. To learn how to solve independent problems a learner-controlled dialogue is preferred above a computer-controlled dialogue. However one may not forget, that novices need more background information and computer-control than the experienced CAI-users.
It is very important in the CAI-dialogue that the dispatch of the commands is logical and consistent. To ensure a simple transfer of information, function-keys are mostly used; these special defined keys are used in the CAI-dialogue. Error messages have to be presented brief, concise, fast, and at the right moment. Students are interested to sent messages to the teacher, when something is wrong or when they have a question that cannot be answered by CAI. If there is a possibility that the students can communicate by terminal with each other or with the teacher, this is highly appreciated.
It seems that the best learninqstation can consist of a alfa-numerical display to which a simple printer is connected. Thus allowing the opportunity to keep important information on paper.
If the system goes down and/or the response time is too long, it is demotivating to students. This is the reason that personal computers in a local area network are preferred above terminals connected.to a mainframe or a minicomputer.
Students have a positive attitude towards CAI. They are very busy with CAI in an intensive and interactive way and are activated by CAI. The active participation of the students determine the surplus value of the CAI-training program with respect to traditional teaching methods. . For this it is very important that the first characteristic of the personalized system of instruction, the so-called Kellerplan, is fulfilled: namely that the students can make use of CAI at any time of the day!
It is recommended that the teachers develop the courseware as a team. The same recommendation is valuable for the use of the CAI-management-system and individual instruction. The surplus value of education by CAI is for the teacher, whereby CAI provides the possibility of automatic registration of student performances.
5. THE CONSTRUCTION OF CAI IN CAD
The training-program for CAI in.CAD consists of a standard-dialogue, courseware and a management-system.
The dialogue is compiled in such a way that the nine instructional events proposed by Gagne are used and is in general usefull for each (CAD-) calculation program. During the first exercise the dialogue is partly computer-controlled. In the next exercise the dialogue is learner-controlled. The students become quickly familiarized with the dialogue because of the used standard.
The courseware consists of problems, covering all cognitive domains in the taxonomy of Bloom. The questions related to the cognitive domain 'knowledge' are concerned with the theory dealed with in the lectures and described in the lecture-notes. The preparation of the CAD-input belongs to the cognitive domain 'comprehension'. The use of the CAD-calculation comes under the domain 'application'. The restrictions, which are conditions of the elements of the CAD-input, belong to the cognitive domain 'analysis'. The variation of the values of the CAD-input, by which a new configuration is treated, and their influence on the results of the calculation belong to the cognitive domain 'synthesis' The qualitative and quantitative judgments of the result of the CAD-calculation belongs to the cognitive domain
'evaluation'
A management-system is connected to the training-program. All interactions between student and computer are collected in it. Mainly this information consists of: a student response report, with the exact reponses and explanations; latencytime; messages and the way through the dialogue; and a student status report, by which the teacher can check how far the students are in the course. The student response report is usefull for the preparation of material for the discussion group and for preparing the problems of the written examination. The latencytime is necessary to be sure that the examination problems can be solved by trained students within the available time. In general, the messages and the way through the dialogue are used to evaluate the courseware and the dialogue. By maintaining a student status report, the teacher can see at any moment if the students are performing the exercises and how many exercices they have completed.
After finishing the concept of the CAI-training-program, 6 students, who had about finished their study in naval architecture, made a fieldtest. From the results and remarks of these experienced students, the dialogue and courseware of the CAI-program were improved. In a second fieldtest, 18 second year students worked on a voluntary basis with the final program. They also answered the questions of a
-quéstionaire about ship design and CAI. From the second fieldtest, it was decided that the learningstation has to consist óf .a printer, with an—alphanumerical display so the students can easily work with the standard dialogue. Finally the quéstionaire for the 'evaluation of CAI in CAD' was prepared.
THE EVALUATION OF CAI IN CAD
The CAI in CAD training-program was used in the first year course to educate the designer, instead of in the second year course for which it was originally developed. The reason for this was a new course development program at the faculty, where the CAI in CAD freeboard-calculation, that was developed, was moved from the second year into the first year. At the beginning of the evaluative investigation that synchronized with the commencement of the lectures in the freeboard-calculation, the students were divided into a controlgroup (KG) of 15 students and an experimental group
(EG) of 16 students. It was explained that the students in the KG were instructed in the traditional way and those in the EG should exercise with CAI. At the -end both groups of students got the same examination problems to solve for the sake of the summative evaluation.
From the beginning the students in the EG worked harder than those in the KG and achieved sinificant better scores on the examination. The impression obtains that the management-system of CAI plays a prominent part, because the" teacher can effectively check the performance of the students. Because of illness of one of the teachers, the students in the KG missed part of the planned exercises, which could have contributed to the significant lower achievement on the examination.
An error-analysis provided indications of great value for the improvement of the courseware, the dialogue and the management-system.
Thé discussion-group was highly appreciated by the teacher and the students who participated. The students joined spiritedly in the discussion. Probably in consequence of the downtime of the computer and/or the slow responsetime, not all students in the EG visited the discussion-group. Therefore the discussion-group has to be made obligatory.
The students enjoyed training with adjunct CAI in CAD. From the responses to the questions in the evaluative-questionaire, that was offered to the students at the beginning of the CAI-exercise and directly after the examination, it appeared that the attitude towards the speciality ship design and towards the use of CAI remained positive.
An estimate of the total teaching-load showed that the load with CAI was equal to the load in traditional teaching. However CAI ..makes .the ..work of the teacher more meaningful, because of his intensified contact with the students.
The experiences of the author with adjunct CAI in CAD has confirmed the existing literature.
RECOMMENDATIONS
The development of a CAI-system is an expensive affair, in which experts from different disciplines should be called in for help. Minimal expertise is required ^in the field of informatics, the theory of education and the design of maritime objects using CAD. Because of the general character of the dialogue of CAI in CAD and on account of the costs of the design of a CAI in CAD system, it seems meaningful to organize and to finance the system design acitivities on a central level within the university.
Due to the experience obtained with CAI in CAD, it is recommended to add to the traditional instructional system adjunct CAI in phases:
a. In the first phase, the teacher has to design problems for a written examination for a limited part of the subject matter in teaching the design process using CAD. All the problems brought together in the examination have to cover the whole cognitive domain in the taxonomy of Bloom. This examination serves as summative evaluation for the subject matter of teaching.
In this way, the teacher can discover if his teaching-load changes with this systematical approach and can decide to continue with phase 2.
b. In the second phase, a CAI-management-system is connected to the CAD-system. At the same time a very limited dialogue is developed for the presentation of the problems in the cognitive domains 'comprehension' and 'evaluation'. The teacher also needs a program (later on part of the author-system that will be developed in phase 3) to collect all information from the management-system. In this way the teacher gets experience with adjunct CAI; however in limited amounts. In this phase it is necessary to call in the help of a computer expert in order that the teaching-load of the teacher does not change.
c. If the teacher is sure of the benefit of adjunct CAI in his teaching, the dialogue can be expanded to all cognitive domains of the taxonomy of Bloom using the
instructional events of Gagne. In addition an authoring-system has to be built for the development and maintenance of courseware in the whole cognitive domain.
In comparison with phases 1 and 2, phase 3 is more expensive in terms of investment.
If phase 3 is finished, this means there exists a CAI in CAD for a limited part of the subject matter of teaching. In that case the courseware can be expanded by the teachers of the faculty to other parts of CAD. For the structure is fixed. The author-system including the management-author-system is finished, so that the help of external expertise is not needed anymore.
The reader will have noticed, that in the recommendations the interests of the teacher weighs very heavily and it is up to him to go through with it or not. In fact, the teacher can retreat from the experiment in phase 1 and in phase 2, whatever his reason may be.
In the authors opinion, it is certainly worthwhile to incorporate adjunct CAI in the teaching system at university level.
Hoofdstuk I INLEIDING
Aan de Technische Universiteit Delft is op de afdeling der Maritieme Techniek tussen 1978 en 1986 een onderwijskundig onderzoekprojekt uitgevoerd waaruit moet blijken of, en zo ja in hoeverre, het gebruik van CAI (Computer Assisted Insruction) binnen een CAD (Computer Aided Design) kader- verhelderend kan werken met betrekking tot de' processen die zich afspelen ■ tijdens het technisch ontwerpen, waarbij de computer steeds meer taken van de ontwerper overneemt. Aanleiding tot het onderzoek vormen dan ook de problemen in het oefenen van de intellektuele vaardigheden, die ontstaan zodra de computer wordt toegepast in het ontwerponderwijs.
Ontwerpen is een iteratief en interaktief proces, waarin naast tekeningen veel berekeningen worden gemaakt en veel beslissingen worden genomen. In het traditionele ontwerpen zonder computer heeft de ontwerper van maritieme objekten geen tijd om in de regel meer dan enkele alternatieven te onderzoeken. CAD is een goede hulp bij het zoeken naar de beste oplossing, door het met elkaar vergelijken van de vele alternatieve mogelijkheden. Dit kan, omdat van het denkwerk, tekenwerk en rekenwerk, dat in het traditionele ontwerpproces zonder computer allemaal door de ontwerper wordt uitgevoerd, bij CAD het tekenwerk en rekenwerk veel sneller en akkurater wordt uitgevoerd door de computer en de ontwerper zich geheel op het kreatieve denkwerk - voor het nemen van beslissingen - kan koncentreren.
Het doel van de toekomstige opleiding van de CAD-gebruiker is dat de studenten kennis en intellektuele vaardigheden opdoen in het gebruik van CAD in situaties, waarin van hen wordt verwacht dat zij een nieuw probleem kunnen oplossen. Zij moeten leren hoe het probleem te ordenen en herordenen, met welke methoden het probleem het beste kan worden aangepakt en tenslotte op welke manier de methoden worden toegepast. In de huidige ontwerpers-opleiding worden de berekeningen met de computer gemaakt, terwijl de ontwerper de beslissingen neemt en de meeste tekeningen op de traditionele manier worden vervaardigd. De scheepsvorm kan via een moedervorm of met behulp van vormkoefficienten met de computer worden gegenereerd.
De berekeningsmethoden worden in hoorkolleges gedoceerd. Omdat de studenten daarna met de computer werken, vergeten zij vaak de inhoud van de methode en gaat soms het inzicht verloren. Daardoor ervaren zij het CAD-programraa als een black box en zijn zij in het algemeen niet in staat de uitkomsten van de berekeningen, die met de computer zijn gemaakt, te beoordelen. Daarbij komt nog, dat de komplexiteit van het
-moderne scheepsontwerp en die van de rekensoftware zoveel is toegenomen, dat volledig met de hand kontroleren van alle uitkomsten van de computerberekeningen ondoenlijk is. Alleen de essentiële resultaten van de berekening worden nog gekontroleerd.
De persoonlijke intuitie, een belangrijk aspekt in het zelfstandig kunnen nemen van de beslissingen in het ontwerpproces, is in hoge mate gerelateerd aan de (ambachtelijke) ervaring van de ontwerper. Door herprogrammeren van het studieprogramma en herstruktureren van de studie is tegelijkertijd met het inschakelen van de computer in het leerproces de tijd voor (tekenjoefeningen in het laatste decennium aanzienlijk gereduceerd. Hetzelfde geldt voor het praktisch werken in het bedrijfsleven om tijdens de studie enige ambachtelijke ervaring op te doen.
De vraag is nu: "Hoe kan de student-ontwerper tijdens zijn studie toch genoeg ervaring opdoen in het nemen van beslissingen aan de hand van resultaten van berekeningen, als omwille van tijdsbesparing alle routinematige berekeningen met de computer worden uitgevoerd, waardoor de student het rekenproces snel vergeet?"
Een mogelijke didaktische oplossing als antwoord op deze vraag is Keller's methode (zie paragraaf 3.4) van Individuele Studie Systemen
(ISS) in het onderwijsleerproces toe te passen met de computer als assistent. Met individuele instruktie leert de student zelfstandig te werken op de tijd, die hem het beste uitkomt. De gekozen CAI methode is: leren door middel van de computer, waarbij de computer wordt gebruikt als toetsend (en onderwijzend) apparaat en als hulp bij studiebegeleiding.
Voor het toetsen van kennis en intellektuele vaardigheden in het leren oplossen van ontwerpproblemen is voor de studenten een CAI in CAD oefenprogramma ontwikkeld, bestaande uit een universeel te gebruiken CAI-dialoog en per CAD-programma te ontwikkelen CAI-kursusmateriaal. Het kursusmateriaal van het CAD-rekenprogramma bestrijkt het hele kognitieve gebied en maakt hierbij gebruik van de indeling in zes klassen volgens de taxonomie van Bloom, zie paragraaf 4.5. De dialoog is opgezet volgens het principe van Gagne's negen onderwijsmaatregelen, zie paragraaf 4.6.
Ten behoeve van het onderwijskundig onderzoek naar het nut van genoemde CAI in CAD programma zijn de volgende onderzoekvragen geformuleerd:
1. Worden met CAI in CAD de kognitieve doelstellingen bereikt? 2. Ervaren docenten en studenten CAI in CAD als zinvol, prettig
en stimulerend?
3. Kan CAI in CAD funktioneel in het onderwijsleerproces worden ingepast?
Hoofdstuk II
DE BEROEPSINHOUD VAN NAVAL ARCHITECT
Het volgende citaat betreffende een korte beschrijving van het beroep van een scheepsbouwkundig ingenieur is overgenomen uit het rapport Wet Herstrukturering W.0. [1976:6&7]:
"De huidige scheepsbouwkundig ingenieur is een technisch-wetenschappelijke nazaat van de oude scheepsbouwmeester. In deze ambachtelijke vakman waren nog geen eeuw geleden de ontwerper, konstrukteur, bouwer, zakenman en vaak ook dereder verenigd. Het vakmanschap van de scheepsbouwmeester kon op (overgeleverde) ervaring gebaseerd zijn omdat de ontwikkeling in grootte en type van de schepen zich in zeer kleine stappen voltrok. Ieder schip was zo een geringe extrapolatie uit het verleden en vormde op zich een ware-grootte experiment waarvan de uitkomst de richting van het volgende stapje aangaf.
Eenvoudige rekenmethoden om sommige eigenschappen van het schip reeds voor de bouw te kunnen voorspellen en tegen elkaar af te wegen kwamen pas de vorige eeuw spaarzaam ter beschikking. Toch was een scheepsontwerp ook in die tijd een ingewikkeld kompromis van vele eisen op verschillend gebied, die impliciet tegen elkaar afgewogen werden binnen het gevoel, de intuitie en de ervaring van de enkele scheepsbouwmeester.
De grote verschillen met vroeger spruiten voort uit de snelheid waarmee maatschappij en techniek zich, vooral na de tweede wereldoorlog, ontwikkelden en eisen'stelden. De vraag naar snel en goedkoop transport leidde tot scheepstypen, die sprongsgewijs groter en/of sneller werden en/of van gespecialiseerd type waren. Andere aktiviteiten ter zee, zoals de winning van gas en olie, eisten eveneens in hoog tempo zeer speciale, op dat doel gerichte ko'nstrukties.
Het produktenskala van de scheepsbouwindustrie is daarmee uitgebreid en omvat nu de meest uiteenlopende eenheden als kontainerschepen, gastankers, supplyschepen, grote tankers voor transport van ruwe olie, pijpenleggers, produktieplatforms, cruise schepen, boorschepen, tanks voor olie-opslag onder water en wat dies meer zij. In veel gevallen wijken de produkten zo ver van alle voorgaande af dat bij ontwerp • en bouw ervaring slechts zeer ten dele bruikbaar is."
Het ontwerpen van schepen is derhalve een praktijkgeorienteerde zeer komplexe wetenschap. Er moet rekening worden gehouden met erg veel andere disciplines [Schneekluth,1975]. Het uiterst gekompliceerde produkt, het schip, is een groot kompromis. Hierbij slaat groot volgens
-Jaeger [1958] en Langenberg [1984] zowel op de omvang van dit begrip, als op het voorwerp. Het ontwerp is in feite een integratie van vele deelsystemen met ieder hun eigen randvoorwaarden.
Het ontwerpen van een schip is een opdracht tot optimaliseren van het te bereiken resultaat, waarbij de ontwerper het toepassingsgebied
(bijvoorbeeld de scheepstypen) in aanmerking moet nemen. Hij dient de technisch ekonomisch optimale hoofdafmetingen en verhoudingsgetallen van een schip tezamen met de machinekamerinstallatie, de inrichting en de uitrusting te bepalen. Hij houdt daarbij rekening met de volgende randvoorwaarden:
1. De speciale eisen van de opdrachtgever, meestal een reder. 2. Het resultaat moet voldoen aan de algemeen geldende
natuurkundige wetten, technische, ekonomische en sociale eisen.
3. De ontwerper dient bij zijn ontwerp rekening te houden met de daarvoor in aanmerking komende klassevoorschriften en wettelijke voorschriften.
4. Het ontwerp wordt gemaakt volgens de laatste stand van de techniek en de ekonomische situatie.
5. Tenslotte is het nodig, dat het ontwerp voldoet aan de technische mogelijkheden van de werf, waar het schip wordt gebouwd en van de toeleveringsbedrijven.
De moeilijkheidsgraad van deze komplexe opdracht met de zo talrijke theoretische en praktische groepen van specifieke problemen is erg hoog. Algemeen geldende en exakte oplossingen zijn tot nu toe niet gevonden en ook niet te verwachten. Daarvoor is alleen al het gemiddelde aantal onbekenden en aangegeven beperkingen te groot en de uitwerking van hun onderling soms tegenstrijdige betrekkingen te talrijk [Henschke,1964 ]. De ontwerpopgave wordt daarom opgelost middels een iteratieproces onder meer of minder beperkende veronderstellingen en vereenvoudigde aannamen [Lyon,1982]. Het hele ontwerpwerk kan worden beschouwd als een opeenvolging van numerieke en niet numerieke processen, iteratief gebruik makend van een enorme hoeveelheid gegevens [Vahl,1972].
De wezenlijke gang van zaken in het ontwerp van een snel vrachtschip met behulp van de computer is door Gallin [1967:271] dan ook als volgt verwoord (waarbij hij uitgaat van de vereiste snelheid):
"Es wird die maximale Geschwindigkeit, die das Schiff auf Konstruktionstiefgang unter Probefahrtsbedingungen erreicht, fuer den Entwurf zugrunde gelegt. Falls diese nicht gegeben ist, wird sie aus der dann gegebenen Dienstgeschwindigkeit mit Hilfe eines vorlaufig geschatzten Koeffizienten berechnet und spater auf den richtigen Wert geprüft und iteriert.
Zunachst werden die Hauptabmessungen des Schiffes berechnet. Dabei wird entsprechend der schiffbaulichen Praxis von einer kleinsten denkbaren Schiffslange ausgegangen, die im Laufe der
Rechnung erforderlichenfalls schrittweise vergrössert wird. Das Prinzip bei diesem ersten Teil der Entwurfsrechnung ist, dass bei denjenigen Grossen, die nicht unmittelbar berechnet werden können, von geschatzten Werten der jeweiligen Grosse ausgegangen wird und alle Grossen dann mit Hilfe von Iterationsrechnungen schrittweise aufeinander abgestimmt werden, bis sie miteinander harmoniëren. Dieses Herantasten an die richtigen Werte wird durch die Rechengeschwindigkeit des elektronischen Rechners ermöglicht, der innerhalb sehr kurzer Zeit eine grosse Zahl von Iterationsrechnungen bewaltigen kann."
2.1 DE ONTWERPER •
Een (wetenschappelijke) ontdekking is volgens Gagne [1970] het resultaat van probleem oplossende aktiviteiten. Het lijkt alsof de onderzoeker voor de oplossing ;an een probleem plotseling een helder ogenblik krijgt, nadat hij vaak al een hele tijd met het. probleem bezig is geweest. Veel kreatieve onderzoekers beweren, dat zij zich diep in een probleem hebben ingewerkt, zelfs meerdere malen over een erg lange periode. Dit komt onder andere, omdat de onderzoeker wel eerst kennis moet hebben van de basisregels, die nodig zijn, om de oplossing mogelijk te maken.
Ontwerpen van schepen is, evenals wetenschappelijk onderzoek, een probleemoplossende aktiviteit, waarin vele deelgebieden moeten worden samengevoegd om het concept van een maritiem objekt tot stand te kunnen brengen. Het meest waardevolle deel in het ontwerpproces is dat deel dat plaats vindt in het brein van de ontwerper en zelfs gedeeltelijk buiten zijn bewustzijn om gebeurt.
Wat in deze black box plaats vindt is volgens Jones [1973] als volgt samen te vatten:
1. Het produkt van de ontwerper ontstaat uit de informatie, die hij (recentelijk) over het probleem heeft vergaard en door de. ervaring, die hij heeft opgedaan met vroegere problemen.
2. Zijn kreativiteit kan hij vergroten door zijn ideeën een poosje voor zich te houden, maar met de konsekwentie dat hij naderhand niet meer precies kan verklaren hoe de oplossing tot stand kwam.
3. Zijn vermogen tot produceren van resultaten die van belang zijn voor het oplossen van het probleem, is afhankelijk van de tijd om dingen te proberen en te trachten het probleem te struktureren. Tijdens soms lang en schijnbaar vruchteloos zoeken naar een oplossing kan hij plotseling een ingeving krijgen het probleem zo te struktureren dat de konflikten binnen het probleem uit de weg worden geruimd. Dan wordt een ingewikkeld probleem zodanig vereenvoudigd, dat het kan worden opgelost.
-4. Om de kans te vergroten, dat een probleem in elk geval wordt opgelost, is het zaak de manier, waarop het probleem in de menselijke black box-wordt-geordend, onder kontrole te hebben. Vanuit de systematische probleemaanpak gezien is de ontwerper een glass box, waarbinnen een volledig rationeel proces kan worden verklaard. De kenmerken van de glass box methode worden hieronder vermeld:
1. De werkwijze wordt van te voren vastgelegd en verloopt gewoonlijk volgens een bepaald patroon, waarin ook parallelle, voorwaardelijke en iteratieve bewerkingen een plaats kunnen hebben.
2. Doelen, variabelen, randvoorwaarden en kriteria worden van te voren vastgesteld in de ontwerpfase: de analyse.
3. De analyse is goeddeels afgerond, dat is tenminste nagestreefd, voordat naar een oplossing door middel van een synthese wordt gezocht.
4. De evaluatie van het ontwerp geschiedt voor het grootste gedeelte schriftelijk en logisch.
Het merendeel van de ontwerpmethoden berust op extern uitwerken van het denkwerk, dat zich in de black box afspeelt. Deze methoden hebben daarom meer te maken met de rationele glass box dan met de mysterieuze black box benadering.
2.2 HET ONTWERPPROCES
Volgens Jones [1973], Lorentz e.a. [1976] en Nijhuis [1984] wordt het ontwerp in de volgende drie fasen gekreeerd, te weten: analyse, synthese en evaluatie. Jones [1973:63] beschrijft deze drie essentiële fasen in het ontwerpproces in eenvoudige bewoordingen als "breaking the problem into pieces", "putting the pieces together in a new way" en "testing to discover the consequences of putting the new arrangement into practice". Eames en Drummond [1976] gebruiken andere benamingen voor de
indelingsfasen van het ontwerp, maar hun uitwerking komt ook neer op de drie genoemde fasen. De auteur is van mening, dat het ontwerpproces in de maritieme techniek ook in deze drie fasen kan worden ingedeeld en heeft daarbij gebruik gemaakt van de beschrijvingen van het ontwerpproces door Andrews [1985] en Cardo e.a. [1986].
De tijd, die de ontwerper besteedt aan de ontwerpfasen analyse en evaluatie, zou volgens Jones moeten worden vergroot en de inspanning voor de synthese moet worden teruggebracht. Met CAD kan deze bewering worden waar gemaakt, omdat het iteratieproces in de synthesefase automatisch door de computer wordt uitgevoerd.
Omdat de computer in het ontwerpproces wordt toegepast, wordt eerst een beknopt overzicht gegeven van het CAD-gereedschap, dat hoofdzakelijk bestaat uit een CAD-tekensysteem en CAD-rekenprogramma's. De laatste
zijn weer onder te . verdelen in schattingsmodellen, ontwerpmodellen, stuurmodellen en rekenmodellen.
-Ken-tekensysteem wordt.in.CAD gebruikt voor het uitwerken en modificeren van de tekeningen, die nodig zijn voor de onderhandelingen tussen werf en reder, het technisch ontwerp etc.
Schattingsmodellen zijn berekeningsmethoden, die geen exakte resultaten opleveren. Enkele voorbeelden van schattingsmethoden in de maritieme techniek zijn: hydrostatica, het bepalen van weerstand en voortstuwingskarakteristieken, energiebalans, ruim- en tankinhouden, het
(lege) scheepsgewicht, bewegingen, bouwkosten én operationele kosten. Het ontwerpmodel is eigenlijk niet veel meer dan een procedure of subroutine, waarin de schattingsmodellen in een bepaalde volgorde, onder andere afhankelijk van het scheepstype, zijn gerangschikt. Met het ontwerpmodel worden de waarden berekend, die uiteindelijk overeen moeten komen met de rederseisen.
Het stuurmodel wordt gebruikt om door systematisch variëren de hoofdafmetingen en/of koefficienten van het schip te schatten. Het zijn zuiver wiskundige methodieken. Met een stuurmodel wordt het iteratieproces in de synthesefase geregeld. •• ■
Rekenmodellen zijn eigenlijk'de berekeningsmethoden, die voor een groot deel al in het traditionele ontwerpproces werden toegepast. Enige voorbeelden van rekenmodellen: transformatie-lijnenplan, capaciteitenplan, capaciteiten-hulpwerktuigen, . ' hydrostatische berekeningen, energiebalans, kromme van ruiminhouden, beladingstoestanden, bewerkt grootspant volgens klassevoorschriften,
(langsscheepse) sterkteberekeningen.
In de analysefase van het ontwerpproces -begint de ontwerper met het verzamelen van informatie. De hoofdkenmerken van het ontwerp worden in groepen bij elkaar gezet. Voor iedere groep worden specifieke gegevens berekend, die dienst zullen doen als bouwstenen in het iteratieproces van de synthesefase. De belangrijkste ontwerpeisen en -kriteria worden onderzocht. In de analysefase wordt nog geen nieuw probleem opgelost. De ontwerper voert de analyse alleen zover uit, dat hij het nieuwe probleem veilig in een zo kort mogelijke tijd met zo min' mogelijk berekeningen en tekeningen kan oplossen. Daarom probeert hij het grote aantal variabelen in het ontwerpproces te beperken tot een bruikbaar aantal onafhankelijke variabelen.
Afhankelijk van zijn ervaring zal de ontwerper in de analysefase van het ontwerpproces daarna de volgende werkzaamheden verrichten (zie figuur
1
)
:. • ;
1. Uit de analyse van de rederseisen. wordt op grond van hoofdkenmerken, ontwerpeisen en -kriteria informatie uit de vakliteratuur verzameld, zodat de ontwerper op de hoogte is van de laatste stand van de techniek met betrekking tot het specifieke scheepstype (of een ander maritiem objekt).
-NEE
L
REDERSEISEN
SCHEEPSTYPE
"T
7
VERGEL I JKING5SCHEPEN
ALTERNATIEVEN VERGELIJKEN
KEUZE BASI55CHIP
I
KEUZE 'SCHATTINGSMODELLEN'
ERVAR1NG5K0EFF1CIENTEN
ZL
I
L
C0NCEPTDEF1N1TIE
31
7
GESCHATTE HOOFDAFMETINGEN
SCHETS 'ALGEMEEN PLAN
Q
I
ÏËTT7
'5TUURM0DEL'
T
'ONTWERPMODEL"
1"
z:
VOORONTWERP
TECHNISCHE BEREKENINGEN
S
TEKENINGEN
GEDETAILLEERDE BEREKENINGEN,
TEKENINGEN EN BE5CHRIJVING
T
/ ^
OFFERTE-ONTWERP
/
1
<
)
LUt n
LL LUcn
>-LUt n
<c
u_
LU LH LU X > -LH 0<3 LUcn
LL. LU LU Figuur 1: ONTWERPPROCES2. De informatie wordt overzichtelijk bij elkaar geplaatst in een lijst met vergelijkingsschepen, waarmee de ontwerper in een oogopslag een indruk krijgt van de karakteristieken van het scheepstype, waarvan hij een nieuw ontwerp gaat concipiëren. Met behulp van de lijst van vergelijkingsschepen worden ook grafieken getekend voor het schatten van de eerste hoofdafmetingen. Door middel van regressieanalyse is het zelfs mogelijk voor het schatten van de eerste hoofdafmetingen
(lengte, breedte, holte en diepgang) formules te ontwikkelen [Weenig,1983].
3. Het vergelijkingsschip met de meeste informatie wordt meestal gebruikt als basisschip, dat, waar nodig, wordt nagerekend met de schattingsmethoden. Verschillen tussen berekening en werkelijkheid worden ervaringskoefficienten genoemd. Deze dienen ervoor om de resultaten met de schattingsmethoden aan te passen aan de realiteit. In geval van twijfel kan de ontwerper verschillende aspekten, bijvoorbeeld bij de beladingstoestanden: de stabiliteit en de trim nader onderzoeken.
Het resultaat van dit onderzoek wordt samengevat in de conceptdefinitie. De ontwerper heeft nu ervaringskoefficienten ter beschikking en informatie' voor het bepalen van het startpunt van het iteratieproces in de synthesefase. Verder heeft hij tevens een idee van een geschikte indeling voor het nieuwe ontwerp voor ogen.
In de tweede ontwerpfase, de synthesefase, wordt het probleem opgelost. Er wordt een nieuw maritiem objekt gekreerd, dat voldoet aan de belangrijkste rederseisen. De ontwerper is er nu in geïnteresseerd de beste konfiguratie te kreeeren, die voldoet aan.de rederseisen. In een haalbaarheidsstudie probeert de ontwerper een set mogelijke oplossingen te vinden. De hoofdafmetingen en de scheepsvorni van het ontwerp worden bepaald. De synthesefase is eigenlijk de kritieke fase in het ontwerpproces. De schattingen, die in de synthesefase 'worden gemaakt, worden in drie stappen uitgevoerd (zie figuur 1 ) :
1. Met of zonder hulp van de grafieken uit punt 2 van de analysefase worden de startwaarden van de hoofdafmetingen voor het iteratieproces gekozen. Doordat de ontwerper in de analysefase een indeling heeft gekozen, kan hij de overgebleven variabelen zo als parameters iri het
iteratieproces van het voorontwerp konstant houden.
2. Met de hoofdafmetingen en in de analysefase aangenomen scheepsindeling is het mogelijk een schets algemeen plan van het ontwerp te tekenen. • '
-3. De ontwerper kontroleert met behulp van de schattingsmethoden uit de analysefase of de eerste schatting een bevredigend resultaat oplevert, waarmee het probleem het schip te ontwerpen, dat aan de rederseisen en randvoorwaarden (zie blz
4) voldoet, is opgelost. Als dat niet zo blijkt te zijn, zal
-hij de hoofdafmetingen en/of vormkoefficienten wijzigen en opnieuw kontroleren of zijn wijzigingen een ontwerp oplevert, dat dichter in. de buurt van de rederseisen komt. Dit deel van het iteratieproces kan met CAD geheel automatisch door de computer worden uitgevoerd. De uiteindelijk bepaalde hoofdafmetingen en de scheepsvorm worden verkregen met behulp van stuurmodellen, waarmee de hoofdafmetingen systematisch worden gevarieerd. Daarbij worden via ontwerpmodellen de in de analysefase gekozen schattingsmodellen gebruikt.
Het resultaat van de synthesefase is een voorontwerp, waarvan de hoofdafmetingen en de scheepsvorm met het iteratieproces zodanig zijn bepaald, dat het resultaat voldoet aan de rederseisen. Het is echter nog niet zeker, dat hiermee het probleem ook technisch is opgelost, d.w.z. voldoet aan alle randvoorwaarden. Dat komt, omdat het iteratieproces is uitgevoerd met schattingsmodellen, die zijn gekorrigeerd met ervaringskoefficienten en derhalve geen exakte berekeningsresultaten opleveren.
De evaluatiefase van het ontwerpproces is een kontrole en beoordeling van het technisch ontwerp. Er worden theoretische berekeningen en tekeningen gemaakt van het technisch ontwerp. Een aantal tekeningen worden voorgeschreven door de klassifikatiemaatschappijen. Hieronder worden bijvoorbeeld gerekend: het kapaciteitenplan, hydrostatische grafieken, konstruktietekeningen, beladingstoestanden, elektrische schema's en mechanische schema's. De ontwerper kontroleert in elk geval de volgende drie punten (zie figuur 1 ) :
1. Blijkt achteraf, dat de vereiste transportkapaciteit (draagvermogen, laadruimhoud en snelheid) niet wordt bereikt, doordat de resultaten van de exakte berekeningen niet met de schattingen overeenkomen, dan moeten de ervaringskoefficienten worden bijgesteld.
2. Alle beladingskondities, waaronder het schip moet opereren, inklusief die uit het iteratieproces, worden gekontroleerd. Blijkt het ontwerp in een van de beladingstoestanden bijvoorbeeld een trim te hebben, die niet voldoet aan de eisen van de klassevoorschriften en/of wettelijke voorschriften
(trim voorover of teveel achterover), dan zal de ontwerper de scheepsindeling en/of de ligging van het drukkingspunt moeten wijzigen.
3. De ontwerper kontroleert ook of met het schip veilig kan worden gevaren. Voor bepaalde maritieme konstrukties worden de bewegingen in golven aan een nader onderzoek onderworpen. Eventueel wordt de vorm van deze konstruktie verbeterd met modelproeven.
Als uit de kontroles naar voren komt, dat met de schatting in de synthese het probleem niet bevredigend is opgelost, doordat bijvoorbeeld de ervaringskoefficienten en/of de scheepsindeling en/of de scheepsvorm moet(en) worden veranderd, dan dient het voorontwerp met deze
korrektie(s) opnieuw te worden gemaakt, gevolgd door een nieuw technisch ontwerp. Interaktief worden de parameters dan veranderd.
Het iteratieproces wordt net zo lang voortgezet, totdat een bevredigende oplossing voor de rederseisen is gevonden en aan alle randvoorwaarden wordt voldaan. Het ontwerpproces wordt tenslotte afgesloten met het offerte-ontwerp, waarvoor gedetailleerde berekeningen, tekeningen (algemeen plan, konstruktieplan en machinekamerplan) en een beschrijving (bestek) worden gemaakt.
2.3 HET HEDEN: REKENEN MET EN TEKENEN ZONDER DE COMPUTER
Jones [1973] is tot de konklusie gekomen, dat het een rationele gedachte is om aan te nemen, dat vakbekwame handelingen, onbewust worden gekontroleerd en het is irrationeel te verwachten dat ontwerpen volledig rationeel kan worden verklaard.
In de praktijk komt de bewering van Jones hierop neer, dat alleen tekenen en rekenen met een CAD-systeem kunnen worden uitgevoerd, maar dat het kreatieve denkproces, dat aan de beslissingen ten grondslag ligt, voor rekening van de ontwerper blijft. De ontwikkeling van ontwerpen zonder computer naar computer gesteund ontwerpen heeft laten zien, dat Jones het bij het rechte eind heeft gehad. Het kreatieve denkwerk zal wel altijd voor de ontwerper blijven.
De huidige stand van zaken is, dat met de computer de tijdrovende routinematige berekeningen worden gemaakt, terwijl de ontwerper het denkwerk doet, de beslissingen neemt en verreweg de meeste tekeningen vervaardigt met de konventionele middelen als tekentafel, tekenpennen, etc.
Sinds het midden van de jaren vijftig gebruikt men de computer als gereedschap bij het tot stand komen van een scheepsontwerp. De. computer werd eerst in de evaluatiefase ingezet, omdat het gemakkelijk was de tijdrovende, steeds terugkerende routine berekeningen daarmee te maken. Het zijn eigenlijk de rekenintensieve programma's voor het carenediagram, de beladingskondities, ruiminhoud, klassevoorschr.iften, etc. De mogelijkheden van de computer, die hiermee aan het licht kwamen, veroorzaakten de behoefte aan meer en betere wiskundige procedures ten behoeve van algemeen bruikbare methoden en betere resultaten. Bovendien kunnen nieuwe berekeningsmethoden worden toegepast, zoals het maken van sterkteberekeningen met behulp van de eindige elementen methode.
Wat het tekenen betreft, is de ontwikkeling van de lokale hardware veel langzamer gegaan. Pas de laatstse jaren is de hardware zodanig verbeterd, dat op grafische beeldschermen nauwkeurig kan worden getekend. Tot nu toe werden in de scheepsbouw alleen de scheepsvorm en de resultaten van de hydrostatische berekeningen in de batch met de plotter van een casual mainframe getekend.
Tegenwoordig is er veel meer hardware lokaal aanwezig, .dan enige jaren geleden, toen deze slechts bestond uit een terminal per gebruiker.
-De zogenaamde "natte vinger" methoden voor het schatten van de hoofdafmetingen van het voorontwerp met de rekenschuif in de synthesefase zijn erg onnauwkeurig. Het is ook niet mogelijk om zonder computer een groot aantal iteraties te maken, omdat dit teveel tijd kost. Door de iteraties uit te voeren met de computer, meende Saarilahti reeds in 1973, dat de resultaten van de schattingen in de synthesefase aanmerkelijk kunnen worden verbeterd. Gallin heeft het iteratieproces voor het schatten van het voorontwerp van een 10000 tons vrachtschip met een snelheid van 21 knopen al in 1967 geautomatiseerd. Hij heeft daarbij gebruik gemaakt van de ideeën van Murphy, Sabat en Taylor [1963]. Later heeft Kupras voor andere scheepstypen het iteratieproces geprogrammeerd [1984]. Tot op heden werden de onderzoekresultaten niet in de praktijk toegepast, omdat met de hardware niet interaktief grafisch kon worden gewerkt. De tijd was blijkbaar nog niet rijp om de computer in te zetten voor het ingewikkelde iteratieproces in de synthesefase.
2.4 DE TOEKOMST: REKENEN EN TEKENEN MET DE COMPUTER
De CAD-software in de maritieme techniek zal naast de reeds in gebruik zijnde rekenmodellen, gaan bestaan uit schattingsmodellen, ontwerpmodellen, stuurmodellen, specifieke maritieme tekensoftware en een turnkey tekensysteem.
Door de computer ook in te schakelen voor het maken van tekeningen en berekeningen in het ontwerpproces is de methode van ontwerpen veel systematischer geworden.
Afhankelijk van het iteratieproces, dat wordt toegepast in de synthesefase, zijn de schattingsmodellen in de meeste gevallen gebaseerd op benaderingsmethoden, die minder invoervariabelen nodig hebben dan-de rekenmodellen. Dit heeft korte interaktie- en rekentijden tot gevolg. Voor. de scheepsbouw is het stroken van het lijnenplan en het tekenen van de konstruktie een essentieel onderdeel. Dit deel van het ontwerpproces is meestal ondergebracht in de CAM pakketten, - zoals Autokon [Oian,e.a,,1983] en Schiffko [Verhasselt,1985], die bij nederlandse werven in gebruik zijn. Beide pakketten zijn speciaal ontwikkeld voor de maritieme techniek.
Een turnkey tekensysteem (d.w.z. een systeem dat gereed voor gebruik wordt afgeleverd) voor CAD [Ikonen,1985] kan een heel belangrijke bijdrage leveren in het uitwerken en modificeren van de tekeningen, die nodig zijn in alle fasen van het ontwerpproces.
Voor de rekenmodellen is in het algemeen een computer met een groot werkgeheugen nodig en een snelle processor om een korte wachttijd te kunnen garanderen en voor de interaktieve ontwerpprogramma's, die veelal weinig geheugen gebruiken, is een snelle processor met een kleiner werkgeheugen voldoende.
Aan de afdeling der Maritieme Techniek is voor geintegreerde CAD gekozen voor een werkstation gekoppeld aan een dedicated minicomputer (dit is een computer met een beperkte kapaciteit, die slechts voor een soort
een casual mainframe (dit is een grote computer, die voor meerdere toepassingen tegelijkertijd wordt gebruikt). De minicomputer wordt ingezet voor de ..berekeningen in het. voorontwerp en in het technisch ontwerp, die niet teveel rekentijd vergen. Daarnaast wordt het grafische werk en alle andere interaktieve werkzaamheden bij pre- en post processing van bijvoorbeeld de .rekenmodellen ook gedaan met de minicomputer. Het zware rekenwerk zelf wordt uitgevoerd op de mainframe. Een korte wachttijd is een essentiële eis voor een gebruikersvriendelijk CAD systeem.
Voor de ontwerper is de lokale hardware het deel, waar hij direkt mee te maken heeft. Bij een geintegreerd CAD systeem [Biran,1986] wordt de terminal vervangen door een werkstation, bestaande uit tenminste, een karakter beeldscherm, een grafisch beeldscherm, een lokale printer een een harcopy unit. Daarbij zal de CAD-gebruiker voor de interaktie met het CAD-systeem bijvoorbeeld de beschikking krijgen over een toetsenbord met joystick voor plaatsbepaling op het beeldscherm, een menutablet als aanvulling op het toetsenbord voor specifieke opdrachten en een digitiser voor het lezen van met de hand vervaardigde tekeningen in het computergeheugen.
2.5 SAMENVATTING
Vanuit een kreatief standpunt bekeken komt de ontwerper op de buitenwereld over als een black box waaruit plotseling een nieuw idee te voorschijn komt. Het ontwerpproces is echter volledig te verklaren, ook als de ontwerpers in de praktijk soms niet in staat zijn een overtuigende verklaring te geven van alle beslissingen die zij hebben genomen.
Het ontwerpproces in de maritieme techniek kan in principe in drie fasen worden uitgevoerd: analyse, synthese en evaluatie. De concept-definitie is het resultaat van de analysefase in het ontwerpproces, waarin de opdracht wordt geanalyseerd, de vakliteratuur wordt bestudeerd en met een bestaande configuratie ervaringskoefficienten worden bepaald voor schattingsmethoden. Het eigenlijke oplossen van het ontwerpprobleem begint in de synthesefase, waarin het voorontwerp met een iteratieproces wordt geconcipieerd. Het iteratieproces wordt geregeld met een stuurmodel, waarin met de schattingsmodellen, die in een bepaalde volgorde in een ontwerpmodel zijn gerangschikt, wordt gekontroleerd of aan de redersopdracht en overige eisen wordt voldaan. In de evaluatiefase wordt het technisch ontwerp gemaakt, dat bestaat u i t e e n technische beschrijving van het ontwerp en een aantal gedetailleerde kontroleberekeningen, die worden uitgevoerd met rekenmodellen, waarmee het voorontwerp verder wordt uitgewerkt. De beschrijving, het bestek, is tevens de basis voor de bouw van het maritieme objekt.
Het gereedschap van de ontwerper bestond uit een mechanische rekenmachine, een rekenschuif, een tekentafel en andere tekenbenodigdheden.
-De tijdrovende routinematige berekeningen, die vroeger met de mechanische rekenmachines werden gemaakt, zijn inmiddels vervangen door de nieuwe-rekentechnieken, met. - de computer. Bovendien kunnen nu
ingewikkelde berekeningen worden gemaakt, die zonder computer niet mogelijk zijn.
In de toekomst zal de tekentafel meer en meer worden vervangen door een werkstation, waarmee de tekeningen met de computer worden vervaardigd. Deze apparatuur zal de ontwerper de kans geven zich volledig met het kreatieve denken en het nemen van beslissingen bezig te houden, omdat ook het interaktieve iteratieproces in de synthesefase met de computer zal worden uitgevoerd.
De komplexiteit van het ontwerpproces zal met deze nieuwe techniek echter beduidend groter worden. Aan de kennis en intellektuele vaardigheden van de ontwerper, om de problemen met deze geavanceerde apparatuur op te kunnen lossen, zullen nieuwe eisen worden gesteld.
Hoofdstuk III
DE OPLEIDING VAN DE NAVAL ARCHITECT.
In Nederland zijn er op vier niveaus technische opleidingen, te weten het lager technisch onderwijs (LTS), het middelbaar technisch onderwijs (MTS), het hoger technisch onderwijs (HTS) en het technisch wetenschappelijk onderwijs (TU).
In de twee laatstgenoemde opleidingen komt het ontwerpproces aan de orde. Op de HTS leren de studenten naast technisch tekenen tevens komplexe technische berekeningen te maken. Op de TU wordt het accent meer op de theorie gelegd dan op de praktische toepassing, zoals op de HTS. Door de meer theoretische benadering van de techniek leert de student gefundeerd beslissingen te nemen bij het oplossen van komplexe technische problemen, zoals het scheepsontwerp.
De algemene doelstelling van TU-opleiding is verwoord in artikel 1 van de wet op het wetenschappelijk onderwijs (WWO, suppl. 39, sept 81, B-3]:
"Wetenschappelijk onderwijs omvat de vorming tot zelfstandige beoefening der wetenschap en de voorbereiding tot het bekleden van maatschappelijke betrekkingen, waarvoor een wetenschappelijke opleiding vereist is of dienstig kan zijn, en bevordert het inzicht in de samenhang van de wetenschappen."
De 5-jarige scheepsbouwopleiding was tot 1982 ingedeeld in een 3-jarige basisstudie gevolgd door een 2-jarige specialisatiefase. De basisstudie was onderverdeeld in een 1-jarige propaedeutische fase en een 2-jarige kandidaatsfase, de daaropvolgende periode bestond uit een 1-jarige kollegefase en een 1-jarige afstudeerfase.
Voor de propaedeuse golden de volgende eindtermen:
1. de student heeft een introduktie in de basiswetenschappen gehad;
2. de student heeft een zodanige introduktie in inhoud, methoden en samenhang van het eigen vakgebied gehad, dat hij zich een idee kan vormen over aard en inhoud van het gehele gebied. Het kandidaatsmoment diende om onder andere te kontroleren of aan de volgende eindtermen werd voldaan [Voorstel ex. art. IV Wet Herstructurering W.O.,1976]:
.1. De student heeft een brede, maar globale kennis van de basiswetenschappen en de afgeleide wetenschappen en kan deze bij eenvoudige problemen toepassen.
-2. De student heeft een brede, maar globale kennis van de maritieme techniek en kan deze problemen zelfstandig . toepassen..Bij een.eenvoudig -totaalprobleem heeft hij zijn
kennis en vaardigheid synthetiserend leren verwerken, zij het onder begeleiding.
Uit de analyse van de beroepsinhoud en de eindtermen van de opleiding tot maritiem ingenieur in Delft, de enige wetenschappelijke scheepsbpouwopleiding in Nederland, zijn de volgende hoofdlijnen gedestilleerd ten behoeve van de opbouw van het programma [Wet Herstructurering w.o., studierichting scheepsbouw- en scheepvaartkunde,1976:35]:
1. "De opleiding moet gericht zijn op ontwikkeling van denkvermogen. Dit houdt in dat o.a. grote aandacht geschonken moet worden aan oefening in analyseren en synthetiseren. 2. De overgedragen kennis moet zoveel mogelijk waardevast zijn en
moet daarom zoveel mogelijk stoelen op fundamentele kennis en inzicht.
3. Vanuit het fundamentele inzicht moet een breedheid worden opgebouwd door een uitgebreide introduktie in andere kennisgebieden (disciplines) en het brede scala van maritieme objekten.
4. De breedheid van de beroepsinhoud en de opleiding impliceert dat sterke aandacht geschonken moet worden aan de onderlinge relaties van kennisonderwerpen door het systeemtechnisch denken te stimuleren.
5. Omdat de afgestudeerde direkt "maatschappelijk bruikbaar" moet zijn, moet in de opleiding een belangrijke ruimte aan de ontwikkeling van toepassingsvaardigheden gegeven worden. 6. Bij de toepassingsvaardigheden zal het element vernieuwing een
vooraanstaande plaats moeten innemen. Ook de kennisoverdracht zal hiermee doordrenkt moeten zijn door het overbrengen van een kritische geesteshouding, het steeds uitwerken van de vraag "waarom ", en het stimuleren van systematisch evaluerende kreativiteit.
7. De opleiding moet onderzoekgericht zijn om te kunnen bijdragen tot de ontwikkeling van het vakgebied.
8. Door kombinatie van fundamenteel inzicht met toepassingsvaardigheden moet aan het eind van de studie een hoog wetenschappelijk niveau verkregen zijn."
In 1982 is een start gemaakt met een 4-jarige opleiding. De studenten die in 1982 met de studie voor scheepsbouwkundig ingenieur zijn begonnen waren de eerste die de geherstruktureerde opleiding volgden. In de Handleidingen van 1982 tot en met 1986 staan het oude en het nieuwe
studieprogramma naast elkaar, omdat er tussen 1982 en 1986 sprake was van een overgangsperiode, waarin het 5-jarige programma en het 4-jarige programma.naast - elkaar werden.gedoceerd.. ..Het afsluitend onderzoek is uitgevoerd met studenten, die de 4-jarige opleiding volgden.
Ontwerpen was als volgt in het 5-jarige studieprogramma ingepast. In het eerste studiejaar werd een inleidend kollege gegeven over het vakgebied, waarvoor een heel klein deel (3%) van de eerste jaars studielast ter beschikking stond.
Het tweede studiejaar voor ontwerpen deed dienst als voorbereiding op het eigenlijke ontwerpproces, door de student kennis en intellektuele vaardigheden bij te brengen in het oplossen van deelproblemen, die zich voordoen bij het ontwerpen van een schip. De studiebelasting was laag
(5.5%).
In de basisstudie lag het accent van ontwerpen in het derde studiejaar, waar de studenten een kwart (24.5%) van de studielast besteedden aan ontwerpen. De student leerde het iteratieproces van technisch ontwerpen toe te passen, waarbij de kennis en intellektuele vaardigheden, opgedaan in het tweede studiejaar, werden toegepast door het maken van een ontwerpoefening, die in twee delen werd gemaakt. Het eerste deel betrof het voorontwerp en werd afgerond met een interimrapport. Het tweede deel betrof een deel van het technisch ontwerp en werd afgerond met een eindrapport. In de beoordeling van het eindrapport werd tevens het cijfer van het interimrapport betrokken.
3.1 DE HUIDIGE OPLEIDING IN ONTWERPEN
De kennis van ontwerpen was vroeger alleen gericht op het ontwerpen van schepen. Tegenwoordig is het vakgebied verbreed naar ontwerpen van maritieme objekten en heeft dan tevens betrekking op off-shore konstrukties, zoals drijvende booreilanden [Goldan,1985].
De doelstelling van het onderwijs in ontwerpen is, dat de studenten intellektuele vaardigheden (vaardigheden om kennis te hanteren en toe te passen) krijgen in het gebruik van ontwerpmethoden in situaties, waarin van hen wordt verwacht dat zij in staat zijn een nieuw probleem op te lossen. Zij moeten het probleem kunnen organiseren en reorganiseren en weten welke methode geschikt is om het vraagstuk aan te pakken, zich de methode kunnen herinneren en tenslotte weten hoe die toe te passen. De didaktische werkvormen in het vakgebied ontwerpen bestaan tot nu toe in hoofdzaak uit de onderwijsaktiviteiten doceren en' zelfstandig leren probleem oplossen. Tot de onderwijsaktiviteiten behoren ook het schrijven van diktaten voor kolleges en instrukties, het geven van kolleges en insrukties met de doceermethode in klassikaal verband in groepen van 30 a 40 studenten [Gage,1975], het samenstellen van de opgaven voor de tentamens, het opstellen van opgaven voor en de individuele studiebegeleiding bij de ontwerpoefening.
In de instrukties wordt het accent van de aktiviteiten van de docent meer gelegd op het voormaken van problemen, die bij het tentamen aan de orde kunnen komen. De instrukties worden klassikaal verzorgd. Op de instrukties wordt een probleem uitgewerkt van de onderwerpen, die op
-kollege zijn behandeld, als voorbereiding op het tentamen, waar dergelijke opgaven kunnen worden veTwacht.
Het inleidende kollege Maritieme Techniek in het eerste studiejaar omvat het hele gebied der Maritieme Techniek. Van het ontwerpen worden hierin de eerste beginselen behandeld.
In het tweede jaars kollege in ontwerpen wordt de algemene strategie van het ontwerpproces gedoceerd. Schattingsmodellen en rekenmodellen met de traditionele methoden komen aan de orde. Alle tekeningen, die voor het technisch ontwerp worden gemaakt, worden in dit kollege behandeld. In instrukties worden enige berekeningsvoorbeelden gedemonstreerd met schattingsmethoden in het ontwerpproces.
In het derde studiejaar worden er twee didaktische werkvormen toegepast, te weten:
-kolleges en instrukties, die worden onderwezen met de
doceermethode en worden aangevuld met de demonstratiemethode; -de ontwerpoefening, wat betekent zelfstandig studeren met
studiebegeleiding.
Bij het kollege ontwerpen in het derde studiejaar wordt ingegaan op de ontwerpbijzonderheden van verschillende scheepstypen en andere maritieme objekten dan schepen. Verder worden enige bijzondere onderwerpen, waaronder ekonomische berekeningen en computer aided ship design, globaal behandeld. Alle kennis is in.het derde studiejaar aanwezig om onder begeleiding een eenvoudig scheepsontwerp te kunnen maken. De mate van uitwerking is wel minder dan in de praktijk in het algemeen gebruikelijk en gewenst is [Wet Herstructurering w.o., studierichting scheepsbouw- en scheepvaartkunde,1976;Handleiding,1983].
Bij zelfstandig leren krijgt de student een taak waaraan hij een betrekkelijk lange tijd moet werken, zonder dat de docent uit eigen initiatief aanwijzingen of hulp verstrekt. De ontwerpoefening is zo'n individueel projekt, waarbij elke student een aparte opgave krijgt, die hij geheel alleen moet uitwerken. Iedere student moet een ontwerp maken van een van de scheepstypen, die er zijn. Dit technisch ontwerp wordt als een integrerend bestanddeel van de basisstudie beschouwd.
Het sluitstuk van het didaktisch proces bestaat uit het bepalen van de resultaten door het meten van de toetsresultaten, beoordelen en beslissen. De kontrole, of de doelstellingen met kolleges en instrukties ziin bereikt, gebeurt met een tentamen. Door middel van selektie wordt vastgesteld, welke studenten, wat betreft het vak ontwerpen, toegelaten kunnen worden tot het vervolg van de opleiding. De samenhang tussen meten, beoordelen en beslissen is hierna in schema weergegeven.
Beslissing van de D-O-C-E-N-T
TOETSRESULTAAT >BEOORDELING >BESLISSING selektieve meting >voldoende >bevorderen
