三维建模软件在机械制图课程教学中的应用

陈映帆

(江苏省张家港中等专业学校,江苏 张家港 215600)

0 引言

机械制图课程主要是培养学生利用图形准确、清晰地表达机械构件和装配的形状、尺寸和位置,培养学生的视觉想象力和图形表达能力,将设计理念转化为具体的技术图纸,从而为产品的制造和装配提供基础[1-3]。传统机械制图课程通常基于二维平面投影,在设计涉及到多个视图和视角的情况下,难以准确和直观地表达复杂的立体几何关系。另一方面,传统制图一旦图纸完成,要进行任何更改都需要重新绘制,限制了学生在设计过程中进行实时的修改、观察和反馈[4]。

三维建模软件是一类专门用于创建、编辑和展示三维模型的计算机程序,允许用户在虚拟环境中构建物体、结构、产品或场景的三维表示,在工程、设计、艺术、娱乐等领域广泛使用,为用户提供了强大的工具来可视化和操作三维空间[5-6]。

本文通过将三维建模软件引入机械制图课程,为学生提供更直观、灵活和现实的工具,帮助学生培养视觉想象力、实时交互能力以及解决实际工程问题的能力,通过对传统机械制图课程进行优化设计并评估三维建模软件在促进学生学习和发展方面的作用。研究结果旨在使三维建模软件能够更有效地融入机械制图课程中,为提高机械制图教学效果提供参考和借鉴。

1 三维建模软件发展历程及应用现状

1.1 发展历程

三维建模软件发展进程如图1所示,由传统的线框建模、曲面建模逐渐发展到体素建模、参数化建模、混合建模和特征建模。

图1 三维建模软件发展进程概况

1)线框建模。线框建模是最早期的三维建模方法之一,在这种方法中,模型被表示为一组连接的线段,形成了物体的外部轮廓。虽然线框建模简单,但无法精确地表示物体的表面细节和形状[7-9]。

2)曲面建模。随着需求增加,曲面建模方法应运而生。曲面建模允许用户创建平滑的曲面来逼近物体的外观,从而更好地表达复杂的形状和细节,适用于设计需要高度精确的外观产品。

3)体素建模。体素建模是一种基于体素(立方体体积元素)的方法,将物体分解为一组小的体素单元。这种方法在医学影像、游戏开发和虚拟现实等领域得到了广泛应用,能够以高分辨率表示物体的内部和外部[10]。

4)参数化建模。参数化建模是基于参数的方法,通过调整参数值来改变模型的形状和属性,可以对模型进行修改和优化,从而更快地探索多个设计方案。

5)混合建模。混合建模将多种不同的建模技术结合起来,能够平衡不同建模技术的优势,从而更好地满足不同类型的设计需求。

6)特征建模。特征建模将设计分解为一系列的特征,如孔、凸台、倒角等。每个特征都有其属性和几何参数,使得设计可以通过修改特征参数来快速变化和更新。

1.2 应用优势

三维建模软件能够弥补传统制图方法的不足,提升学生的学习效果和实际应用能力。在机械制图课程中,引入三维建模软件带来了诸多优势。

1.2.1 直观的三维表达

通过引入三维建模软件,学生获得了直观的创作平台,能够轻松地创造、修改和观察三维模型,学生能够更加准确地感知和呈现机械构件的形状、大小以及它们之间的关系[11]。这种直观性有助于培养学生的空间想象力,使学生能够更自信地构建和表达复杂的机械结构。此外,与纸上的二维图纸相比,三维建模软件可以更真实地模拟物体的外观和运动,使学生能够更好地理解机械构件的空间排列和互动,学生不仅能够更深入地掌握机械构件的设计原理,还能够在实际应用中更灵活地运用这些技能。

1.2.2 实时交互与修改

与传统的静态二维制图方法相比,三维建模软件赋予学生与设计模型直接互动的能力,为学生提供了一个动态且实时的创作环境,学生在设计过程中,可以随时进行修改、调整和优化,观察每一次变化如何直接影响整体模型,这样的实时交互机制可以极大地激发学生的主动参与和探索精神。

1.2.3 设计过程的可视化

三维建模软件为学生提供了一种全新的方式来深入理解设计的演化和迭代过程,学生可以将抽象的设计思想转化为具体的可视化模型,使设计过程更具体、可感知。学生可以在三维环境中逐步构建模型,从最初的草图到最终的成品,每一次设计决策和修改都被记录在模型中,形成了一个可追溯的设计历程[12-13],有助于学生更好地理解每个设计选择的意义,以及不同决策如何影响模型的形状、性能和可用性。通过将设计过程可视化,学生能够更深入地思考设计的逻辑和目标,培养出批判性思维和解决问题的能力。

1.2.4 多视图展示

多视图展示可以为学生理解和呈现物体的形状、结构以及技术细节带来了极大的便利[14]。通过不同的视角观察模型,学生能够更全面地探索物体的外观和内部组成,学生可以从各个角度旋转、缩放和平移模型,通过轻松地创建多个视图,能够捕捉到不同角度下的物体细节,从而更好地理解其形状、曲面、边缘以及内部结构。

1.2.5 装配和动画展示

通过生成动画展示装配过程和运动模拟,学生可以在虚拟环境中观察机械零件如何协同工作,实现整体功能,不仅可以帮助学生更好地理解机械构件的运动规律和交互特性,还可以揭示潜在的设计问题和优化机会。同时,学生可以通过调整参数和变量来探索不同的运动情景,从而培养出对机械系统行为的深入理解和预测能力。

2 机械制图课程中三维建模软件的教学方案设计

2.1 课程目标

1)培养学生准确、清晰地表达机械构件和装配的能力。

2)发展学生的三维空间想象力和图形表达能力。

3)培训学生使用三维建模软件进行实时交互、修改和优化设计。

4)培养学生多视图展示、装配和动画展示的能力。

5)引导学生将设计理念转化为详细、准确的技术图纸。

2.2 课程内容设计

将三维建模软件融入机械制图课程中,主要课程设置及阶段教学目标如表1所示,包含了5个主要课程单元,每个单元都涵盖了具体的内容概要、教学目标以及预期的学习成果。课程从介绍三维建模软件的背景和基础知识开始,逐步引导学生掌握基本建模技术、装配与交互、多视图展示和图纸制作,以及设计过程的可视化。通过这样的教学方案,学生能够在实践中掌握三维建模软件技能,并将其应用于机械制图,培养出全面的设计和实际应用能力。

表1 教学方案

3 教学验证

3.1 实验设计

在同一门三维建模与机械制图课程中,将学生分为两组:实验组和对照组,在课程结束后,收集学生的考试成绩、项目报告、学生反馈等数据,比较对照组和实验组的成绩和反馈数据,分析教学效果的差异。

1)实验组:学生在课程中使用三维建模软件,进行实时建模、装配、动画展示等实践操作。

2)对照组:学生在课程中使用二维机械制图软件CAXA,包括绘制图纸和装配部件。

3.2 教学效果与分析

实验组与对照组成绩如表2所示,综合分析,对比实验结果显示使用三维建模软件的教学方法在知识传授、实际应用和学生满意度方面都取得了明显的优势,为教学方案的进一步优化和推广提供了有力的支持。

表2 教学效果对比

4 结论与展望

4.1 结论

通过对比实验的结果分析,本研究验证了在机械制图课程中引入三维建模软件的教学方法在教学效果上具有显著优势,实验组学生在考试成绩、项目报告质量以及学生满意度方面均表现出色,结果表明使用三维建模软件的实验组学生在知识掌握、实际应用能力以及学习体验方面都取得了更好的结果,学生通过实时建模、装配和动画展示等操作,更直观地理解了机械构件的立体关系,培养了空间想象力,提高了实际应用能力。

4.2 展望

引入三维建模软件在机械制图课程中的教学实践显示出了积极的效果,然而,仍有许多有趣的方向可以在未来的研究和教学中探索和发展。未来可以将虚拟现实(VR)和增强现实(AR)技术逐渐应用到机械制图教学中,带来更加沉浸式和互动性的学习体验,进一步提升学生的理解和应用能力。另一方面,借助云端技术,实现学生之间的在线协作和远程教学,培养跨地域合作的能力,提升全球化背景下的机械工程教育。