三維建模軟件在機械制圖課程教學中的應用

陳映帆

(江蘇省張家港中等專業(yè)學校,江蘇 張家港 215600)

0 引言

機械制圖課程主要是培養(yǎng)學生利用圖形準確、清晰地表達機械構件和裝配的形狀、尺寸和位置,培養(yǎng)學生的視覺想象力和圖形表達能力,將設計理念轉化為具體的技術圖紙,從而為產品的制造和裝配提供基礎[1-3]。傳統機械制圖課程通常基于二維平面投影,在設計涉及到多個視圖和視角的情況下,難以準確和直觀地表達復雜的立體幾何關系。另一方面,傳統制圖一旦圖紙完成,要進行任何更改都需要重新繪制,限制了學生在設計過程中進行實時的修改、觀察和反饋[4]。

三維建模軟件是一類專門用于創(chuàng)建、編輯和展示三維模型的計算機程序,允許用戶在虛擬環(huán)境中構建物體、結構、產品或場景的三維表示,在工程、設計、藝術、娛樂等領域廣泛使用,為用戶提供了強大的工具來可視化和操作三維空間[5-6]。

本文通過將三維建模軟件引入機械制圖課程,為學生提供更直觀、靈活和現實的工具,幫助學生培養(yǎng)視覺想象力、實時交互能力以及解決實際工程問題的能力,通過對傳統機械制圖課程進行優(yōu)化設計并評估三維建模軟件在促進學生學習和發(fā)展方面的作用。研究結果旨在使三維建模軟件能夠更有效地融入機械制圖課程中,為提高機械制圖教學效果提供參考和借鑒。

1 三維建模軟件發(fā)展歷程及應用現狀

1.1 發(fā)展歷程

三維建模軟件發(fā)展進程如圖1所示,由傳統的線框建模、曲面建模逐漸發(fā)展到體素建模、參數化建模、混合建模和特征建模。

圖1 三維建模軟件發(fā)展進程概況

1)線框建模。線框建模是最早期的三維建模方法之一,在這種方法中,模型被表示為一組連接的線段,形成了物體的外部輪廓。雖然線框建模簡單,但無法精確地表示物體的表面細節(jié)和形狀[7-9]。

2)曲面建模。隨著需求增加,曲面建模方法應運而生。曲面建模允許用戶創(chuàng)建平滑的曲面來逼近物體的外觀,從而更好地表達復雜的形狀和細節(jié),適用于設計需要高度精確的外觀產品。

3)體素建模。體素建模是一種基于體素(立方體體積元素)的方法,將物體分解為一組小的體素單元。這種方法在醫(yī)學影像、游戲開發(fā)和虛擬現實等領域得到了廣泛應用,能夠以高分辨率表示物體的內部和外部[10]。

4)參數化建模。參數化建模是基于參數的方法,通過調整參數值來改變模型的形狀和屬性,可以對模型進行修改和優(yōu)化,從而更快地探索多個設計方案。

5)混合建模。混合建模將多種不同的建模技術結合起來,能夠平衡不同建模技術的優(yōu)勢,從而更好地滿足不同類型的設計需求。

6)特征建模。特征建模將設計分解為一系列的特征,如孔、凸臺、倒角等。每個特征都有其屬性和幾何參數,使得設計可以通過修改特征參數來快速變化和更新。

1.2 應用優(yōu)勢

三維建模軟件能夠彌補傳統制圖方法的不足,提升學生的學習效果和實際應用能力。在機械制圖課程中,引入三維建模軟件帶來了諸多優(yōu)勢。

1.2.1 直觀的三維表達

通過引入三維建模軟件,學生獲得了直觀的創(chuàng)作平臺,能夠輕松地創(chuàng)造、修改和觀察三維模型,學生能夠更加準確地感知和呈現機械構件的形狀、大小以及它們之間的關系[11]。這種直觀性有助于培養(yǎng)學生的空間想象力,使學生能夠更自信地構建和表達復雜的機械結構。此外,與紙上的二維圖紙相比,三維建模軟件可以更真實地模擬物體的外觀和運動,使學生能夠更好地理解機械構件的空間排列和互動,學生不僅能夠更深入地掌握機械構件的設計原理,還能夠在實際應用中更靈活地運用這些技能。

1.2.2 實時交互與修改

與傳統的靜態(tài)二維制圖方法相比,三維建模軟件賦予學生與設計模型直接互動的能力,為學生提供了一個動態(tài)且實時的創(chuàng)作環(huán)境,學生在設計過程中,可以隨時進行修改、調整和優(yōu)化,觀察每一次變化如何直接影響整體模型,這樣的實時交互機制可以極大地激發(fā)學生的主動參與和探索精神。

1.2.3 設計過程的可視化

三維建模軟件為學生提供了一種全新的方式來深入理解設計的演化和迭代過程,學生可以將抽象的設計思想轉化為具體的可視化模型,使設計過程更具體、可感知。學生可以在三維環(huán)境中逐步構建模型,從最初的草圖到最終的成品,每一次設計決策和修改都被記錄在模型中,形成了一個可追溯的設計歷程[12-13],有助于學生更好地理解每個設計選擇的意義,以及不同決策如何影響模型的形狀、性能和可用性。通過將設計過程可視化,學生能夠更深入地思考設計的邏輯和目標,培養(yǎng)出批判性思維和解決問題的能力。

1.2.4 多視圖展示

多視圖展示可以為學生理解和呈現物體的形狀、結構以及技術細節(jié)帶來了極大的便利[14]。通過不同的視角觀察模型,學生能夠更全面地探索物體的外觀和內部組成,學生可以從各個角度旋轉、縮放和平移模型,通過輕松地創(chuàng)建多個視圖,能夠捕捉到不同角度下的物體細節(jié),從而更好地理解其形狀、曲面、邊緣以及內部結構。

1.2.5 裝配和動畫展示

通過生成動畫展示裝配過程和運動模擬,學生可以在虛擬環(huán)境中觀察機械零件如何協同工作,實現整體功能,不僅可以幫助學生更好地理解機械構件的運動規(guī)律和交互特性,還可以揭示潛在的設計問題和優(yōu)化機會。同時,學生可以通過調整參數和變量來探索不同的運動情景,從而培養(yǎng)出對機械系統行為的深入理解和預測能力。

2 機械制圖課程中三維建模軟件的教學方案設計

2.1 課程目標

1)培養(yǎng)學生準確、清晰地表達機械構件和裝配的能力。

2)發(fā)展學生的三維空間想象力和圖形表達能力。

3)培訓學生使用三維建模軟件進行實時交互、修改和優(yōu)化設計。

4)培養(yǎng)學生多視圖展示、裝配和動畫展示的能力。

5)引導學生將設計理念轉化為詳細、準確的技術圖紙。

2.2 課程內容設計

將三維建模軟件融入機械制圖課程中,主要課程設置及階段教學目標如表1所示,包含了5個主要課程單元,每個單元都涵蓋了具體的內容概要、教學目標以及預期的學習成果。課程從介紹三維建模軟件的背景和基礎知識開始,逐步引導學生掌握基本建模技術、裝配與交互、多視圖展示和圖紙制作,以及設計過程的可視化。通過這樣的教學方案,學生能夠在實踐中掌握三維建模軟件技能,并將其應用于機械制圖,培養(yǎng)出全面的設計和實際應用能力。

表1 教學方案

3 教學驗證

3.1 實驗設計

在同一門三維建模與機械制圖課程中,將學生分為兩組:實驗組和對照組,在課程結束后,收集學生的考試成績、項目報告、學生反饋等數據,比較對照組和實驗組的成績和反饋數據,分析教學效果的差異。

1)實驗組:學生在課程中使用三維建模軟件,進行實時建模、裝配、動畫展示等實踐操作。

2)對照組:學生在課程中使用二維機械制圖軟件CAXA,包括繪制圖紙和裝配部件。

3.2 教學效果與分析

實驗組與對照組成績如表2所示,綜合分析,對比實驗結果顯示使用三維建模軟件的教學方法在知識傳授、實際應用和學生滿意度方面都取得了明顯的優(yōu)勢,為教學方案的進一步優(yōu)化和推廣提供了有力的支持。

表2 教學效果對比

4 結論與展望

4.1 結論

通過對比實驗的結果分析,本研究驗證了在機械制圖課程中引入三維建模軟件的教學方法在教學效果上具有顯著優(yōu)勢,實驗組學生在考試成績、項目報告質量以及學生滿意度方面均表現出色,結果表明使用三維建模軟件的實驗組學生在知識掌握、實際應用能力以及學習體驗方面都取得了更好的結果,學生通過實時建模、裝配和動畫展示等操作,更直觀地理解了機械構件的立體關系,培養(yǎng)了空間想象力,提高了實際應用能力。

4.2 展望

引入三維建模軟件在機械制圖課程中的教學實踐顯示出了積極的效果,然而,仍有許多有趣的方向可以在未來的研究和教學中探索和發(fā)展。未來可以將虛擬現實(VR)和增強現實(AR)技術逐漸應用到機械制圖教學中,帶來更加沉浸式和互動性的學習體驗,進一步提升學生的理解和應用能力。另一方面,借助云端技術,實現學生之間的在線協作和遠程教學,培養(yǎng)跨地域合作的能力,提升全球化背景下的機械工程教育。