МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

Развитие логического мышления при моделировании 3D объектов с помощью программы «Компас»

Ведение 

Развития логического мышления школьников в эпоху развития цифровых технологии связана с компьютерными обучениями различным графическим программами. Компьютерная графика позволяет осуществлять конструкторские разработки в двух направлениях.

 Первое направление базируется на двухмерной геометрической модели и использовании компьютера как особое средство, позволяющего значительно ускорять процесс конструирования и улучшить качество оформления  проектно-конструкторской документации.

 В основе второго направления лежит пространственная геометрическая модель объекта, который является более наглядным способом представления оригинала и более мощным и удобным инструментом решения геометрических задач. Чертеж в этих условиях играет вспомогательную роль, а способы его создания основаны на методах компьютерной графики.

 При использовании первого направления обмен информацией осуществляется на основе конструкторской деятельности, нормативно справочной и технологической документации; при использовании второго – на основе компьютерного представления геометрического объекта общей базы данных, что способствует эффективному функционированию программного обеспечения САПР.

Новизна: Моделирование 3D-объектов в программе "Компас" представляет собой академический процесс, который требует от пользователя развитого пространственного воображения и логического мышления. Однако, когда речь идет о новизне, стоит рассмотреть несколько аспектов, которые делают этот процесс особенно интересным и полезным для развития когнитивных способностей.

Глава1 Развитие логического мышления на основе создания трёхмерных моделей

1.1 Теоретический аспект развитие логического мышления школьников в процессе моделирования объектов.

 Создание 3D-моделей требует планирования и поиска решений, что укрепляет аналитическое мышление. Этот процесс включает использование логики и проектного метода для достижения цели. Кроме того, моделирование мотивирует детей пробовать разные вариации и применять творческий подход. С раннего возраста и в подростковом периоде развития пространственного мышления особенно актуально в условиях цифровизации, где подходы российских авторов берут за основу        научно-фундаментальные исследования. Ключевое содержание данного подхода основывается на создании образов через восприятие объектов в пространстве. Уровень такой активности напрямую зависит от овладения субъектов средствами деятельности, а именно способами представления. Для формирования компонентов пространственного мышления необходимо развивать навыки визуального понимания и ощущения пространственных объектов реального мира для дальнейшей работы с чертежами и моделями. Моделирование является наиболее продуктивным средством развития пространственного мышления учащихся, которое позволяет воспроизводить и изучать определенный фрагмент происходящего действия. По представлению Суворовой Т.Н. пространственное мышление включает элементы процессы создания модели его материального воплощения, где процесс эстетического созерцания заключается в видении идей и способов ее изготовления, что непосредственно является основополагающей технологии моделирования [1].

3D-моделирование становится полезным инструментом для обучения, помогая ученикам лучше понимать предметы и готовиться к будущим профессиям.

3D-моделирование на школьных уроках. Включение 3D-моделирования в школьную программу делает занятия более увлекательными и понятными. Например, на уроках геометрии и физики оно помогает наглядно представить сложные темы, такие как свойства объемных фигур.

С помощью учебных материалов по моделированию Кузьмичева Е.А. создаются учебные материалы, которые позволяют ученикам изучать сложные темы через практическую работу. Это особенно полезно в технических и естественнонаучных дисциплинах. Моделирование помогает учащимся изучать сложные процессы через визуализацию и практику [2].

По мнению выше названых авторов профессиональные перспективы в 3D-моделировании.

Помимо образовательных целей, навыки 3D-моделирования открывают путь к востребованным профессиям. Согласно мнению Михлякова.Е.А. архитектура, разработка игр, промышленный дизайн и инженерий, активно используется 3D-моделирование для проектирования, создания виртуальных миров и решения инженерных задач. Знакомство с 3D-моделированием в раннем возрасте помогает школьникам развивать ключевые навыки и определяться с проектными целями. Такие платформы, как, предлагают курсы, где дети могут освоить основы моделирования в увлекательной форме [3].

Эти возможности показывают, как 3D-моделирование развивает логическое мышление через приемы: визуализации конечного результата – прием фантазирования; поэтапное конструирование, где главной задачей является четко следовать алгоритму реализации проекта и создания 3-Д модели.

Основными преимуществами 3D-моделирования:

- Визуализация: дети учатся представлять объекты под разными углами.

- Пространственная ориентация: Понимание расположения объектов в пространстве.

- Масштабирование: Работа с размерами и пропорциями.

  Решение задач: планирование и поиск решений укрепляют логическое мышление.

3D-моделирование также делает обучение увлекательным, особенно через игровые платформы, такие как (МАЙНКРАФТ, РОБЛОКС). Это помогает детям изучать сложные темы через практику и готовит их к востребованным профессиям в инженерии, архитектуре и дизайне.

Таким образом, использование программы "Компас" для моделирования 3D-объектов обладает множеством инновационных характеристик, способствующих развитию логического мышления, творческих способностей и практических навыков.

Объемное 3D-моделирование помогает детям развивать пространственное мышление, визуализацию и навыки решения задач. Это ключевые навыки компьютерного моделирования объектов различного характера. Интегративный подход в обучении детей 3D-моделированию позволяет освоить различные техники моделирования и функции данной программы   для успешности освоения STEM-дисциплин.

STEAM-образование — это междисциплинарный подход к обучению, который объединяет науки, технологию, инженерное творчество, искусство и математику. Он помогает развивать творческое мышление в решении технических задач, умение работать в команде, способствующее формированию критического мышления. Это процесс создания моделей, который объединяет инженерию и естественные науки в единую систему. 

По мнению Корецкий М.Г. в основе STEM-образования лежит изучение предметов не по отдельности, а все вместе и в применении к прикладным задачам [4]. 

3D-моделирование помогает детям развивать умственные способности через взаимодействие с виртуальными объектами.

Современные технологии 3D-моделирования позволяют конструировать сложные и объемные модели. Хотя программное обеспечение для 3D-моделирования основано на сложных математических расчетах, все вычисления проводятся автоматически с предоставлением удобного пользовательского интерфейса. Создание трехмерной модели довольно затруднительно и представляет собой своего рода искусство. Для достижения реалистичности необходимо разбираться в особенностях моделирования и правильно проводить расчеты в течение всего процесса моделирования.

Для улучшения визуализации и пространственного восприятия объектов школьниками, работа с 3D-моделями учит детей понимать, как объекты взаимодействуют и располагаются в пространстве. Создавая трехмерные объекты, дети осваивают:

Эти умения формируют базу для более сложных процессов, таких как логическое мышление и решение задач.

На этом основании 3D-моделирование является инструментом, который помогает детям развивать когнитивные способности. Оно улучшает пространственное мышление и аналитические способности, даже если уровень вербального интеллекта невысок, и способствует формированию навыков визуализации, логического мышления и решения задач. Эти умения становятся особенно важными в современном мире.

Кроме того, 3D-моделирование помогает заложить основу для успешного освоения STEM-направлений и творческих профессий. Развитие пространственного мышления с его помощью не только улучшает успеваемость, но и помогает подготовиться к будущей карьере.

Процесс моделирования технического объекта включает несколько этапов, каждый из которых важен для получения точной и функциональной модели.

Трехмерные модели могут задаваться различными способами:

каркасные, задаются вершинами и ребрами. Эта модель проста, но с ее помощью можно представить в пространстве только ограниченный класс деталей, полигональные (поверхностные) – поверхностями (плоскостями, поверхностями вращения и др.), объемные (твердотельные) – формируются из элементарных объектов с использованием логических операций объединения, вычитания, пересечения. По таким моделям можно построить не только графические изображения, такие как масса, объем, и др. Объемные тела и геометрические модели, образованные из более простых объектов с использованием логических операций объединения, пересечения, вычитания, называются составными.

По мнению Е. С. Павловой теоретический аспект создания программы Компас 3D и его функционал представляется в такой последовательности работы для создания модели «Бронекатер» ….

Последовательность процесса использования программы компас 3D начинается с знакомством с интерфейсом программы [5]

1.Интерфейс, основные возможности и команды программы твердотельного моделирования Компас 3D.

Рисунок 1. Панель управления программы 3д компас

2.Изучение операции выдавливания.

Трехмерное построение геометрических фигур в КОМПАС 3D с помощью элемента выдавливания.

Рисунок 2. Разметка для элемента выдавливания

3.Построение отверстий в КОМПАС 3D с помощью элемента вырезать выдавливанием.

Построение различных геометрических отверстий в параллелепипеде осуществляется с помощью выдавливания.

Рисунок 3. Способ элемента выдавливания

Заканчивается текст обобщением последовательности работы в программе 3д компас.

В итоги можно отметить, что нами было проведено знакомство с панелью управления с программой 3д компаса, где показан пример разметки выдавливания на кубе и результат элемента выдавливания.

Дальнейшие стадии разработки в программе 3д компас   отражает последовательность создания 3-Д модели корабля «Бронекатер»

Глава 2. Практическая реализация разработки модели корабль «Бронекатер» В КОМПАС-3D

2.1 Построение видов

Широкие возможности объемного моделирования позволяют

проектировать геометрические модели любой сложности, использовать их

в прочностных расчетах, в рекламных и дизайнерских программах. Кроме

этого по полученной модели можно создать ассоциативный чертеж.  Начнем формирование чертежа с создания среды. Выполним
последовательно команды. Создать и введем кнопку на панели
управления чертеж, после чего на экране появится новый лист по
умолчанию формата А4 с внутренней рамкой и основной надписью.
Учитывая размеры детали и количество видов, изменим формат
документа, для этого выберем группу команд параметры в меню сервис.
В списке разделов выберем параметры листа и щелчком мыши
раскроем его содержимое, где выделим строку формат, при этом в правой
части окна появятся все данные, относящиеся к формату листа.
В списке форматов выберем А3, а в группе ориентация включим
кнопку Горизонтальная, после чего с помощью кнопки ок. Формат документа, его ориентацию и стиль можно менять
неоднократно в процессе работы над его созданием, если в этом возникнет
необходимость. После его формирования   можно увидеть полностью, если нажать кнопку показать все. Далее следует приступить к созданию чертежа. На панели переключений выберем кнопку ассоциативные виды, после чего откроется панель создание ассоциативных видов. Ассоциативный вид – это вид, неразрывно связанный с трехмерной моделью, по образу которой формируется данный чертеж. Любое изменение формы и размеров модели неизбежно повлечет к
соответствующим изменениям в ассоциативных видах.
После чего на поле чертежа отобразится
в виде прямоугольников, условно обозначающих три основных
вида. В строке параметров объектов можно установить ориентацию
детали, и тем самым определить главный вид, масштаб, включить или
выключить невидимые линии, линии переходов, а также назначить цвет
изображения. Для того чтобы наиболее рационально расставить виды на поле чертежа, введем кнопку схема видов. В результате откроется диалоговое окно, в котором можно установить набор
стандартных видов, необходимых для полного представления о форме
данной детали.

По умолчанию установленные три вида: главный вид; вид снизу; вид слева. Остальные основные виды представлены условными прямоугольниками. Аналогично можно удалить любой вид, кроме главного. Отменить построение главного вида невозможно.

В нижней части диалогового окна необходимо указать зазор по
горизонтали и зазор по вертикали, то есть ввести числовое значение
расстояния между видами в горизонтальном и вертикальном направлении.

2.2 Моделирование корпуса судна в САПР КОМПАС 3D

Система КОМПАС 3D позволяет создавать криволинейные поверхности (грани) различными способами. Эти способы основаны на применении построений пространственных точек, кривых, поверхностей, а затем придании толщины для создания объемной твердотельной модели, так как смоделированные поверхности не имеют толщины. Можно также применить к построенным контурам твердотельную операцию по сечениям или по траектории, так как именно данные операции также создают криволинейные грани, которые характерны для корпусов судов.

Рассмотрим и затем применим разные способы построения криволинейных граней для дальнейшего анализа возможности использования их в моделировании электронных моделей корпусов судов.

1        Использование шпангоутов:

- на основе пространственных кривых — сплайнов, построенных по таблично заданным ординатам теоретического чертежа;

- на основе плоских кривых — сплайнов, построенных на различных смещенных плоскостях (шпациях) по таблично заданным ординатам теоретического чертежа.

2. Использование ватерлиний:

- на основе пространственных кривых — сплайнов, построенных по таблично заданным координатам теоретического чертежа;

- на основе плоских кривых — сплайнов, построенных на различных смещенных плоскостях, соответствующих ватерлиниям, по заданным ординатам теоретического чертежа.

В качестве исходных данных для построения электронной модели корпуса был взят теоретический чертеж и его координаты из учебного пособия.

Для построения шпангоутов данные расчетов представлены в виде отдельных столбцов (координаты Y, аппликаты Z) для каждого шпангоута от 0 до 11.

Построение основано на использовании графических объектов — сплайнов путем ввода вручную характерных точек с координатами X, Y на плоскости.

В данной работе была использована другая методика — автоматизированный способ построения сплайнов на базе точек. Такой способ резко снижает трудоемкость построения и при необходимости изменения координат позволяет быстро выполнить перестроение кривых в теоретическом чертеже.

Известно, что при построении сплайновых кривых по точкам и кривой можно вводить вершины по числовым координатам.

Другой важной особенностью построения сплайнов является возможность, не изменяя координат вершин, менять наклон с помощью выравнивания касательной в указанной точке. Это позволит при построении шпангоутов для плоскодонных судов плавно перейти к днищу, так как некоторые шпангоуты не заканчиваются в точке 0,0.

Рисунок 1. Схематическое изображения сплайн по точкам

Следуя алгоритму построения проекции корпус теоретического чертежа:

1.                Создаем новый фрагмент.

2.                Чертим вспомогательные прямые.

3.                Выбираем команду Сплайн по точкам.

4.                Читаем из файла Excel таблицу вершин 0го шпангоута.

5.                Проверяем правильность построения на фантоме кривой. При необходимости изменяем кривизну кривой способом по касательной.

6.                Завершаем построение кривой шпангоута.

7.                Читаем значения вершин из следующего файла шпангоута и повторяем процедуру для остальных шпангоутов от 1 до 9.

8.                Окончательно завершаем формирование проекции Полуширота теоретического чертежа с ватерлиниями.

Чтобы применить полученные проекции теоретического чертежа в моделировании электронной детали корпуса судна, можно воспользоваться следующими способами:

- на основе плоских кривых — сплайнов, построенных на различных смещенных плоскостях по таблично заданным координатам теоретического чертежа;

- на основе пространственных кривых — сплайнов, построенных по таблично заданным координатам теоретического чертежа.

В первом случае алгоритм построения выглядит следующим образом:

1.                Создаем новую деталь.

2.                Выполняем построение нескольких вспомогательных плоскостей, смещенных на расстоянии друг от друга.

3.                Выделяем первую плоскость. Переходим в режим создания эскиза. Фрагмента теоретического чертежа 0­й шпангоут и вставляем его в эскиз. Завершаем эскиз и переходим в режим детали.

4.                Выделяем 2­ю плоскость и повторяем построения. Аналогично выполняем построения для остальных шпангоутов.

5.                В результате получаем серию плоских кривых, расположенных на разных плоскостях.

6.                Выбираем команду поверхность по сечениями и указываем построенные эскизы. По завершении команды получаем поверхность корпуса одного борта судна.

7.                Выбираем команду зеркальное отражение и моделируем второй борт

При построении по данному способу часть корпуса оказывается недостроенной, так как нет ни промежуточных носовых и кормовых шпангоутов, ни эскиза оконечностей. Поэтому для завершения процесса построения необходимо применить второй способ — построить пространственные шпангоуты, а также учесть пространственные оконечности форштевня и ахтерштевня.

Поскольку сплайны шпангоутов уже построены в соответствующих эскизах, нет необходимости повторять данные построения. Как показали практические построения, 0­й и 10­й шпангоуты будут ухудшать процесс моделирования поверхности, поэтому далее их учитывать не будем. А вместо них задействуем новые кривые — форштевень и ахтерштевень.

Действуем по следующему алгоритму:

1.                Отменяем построение поверхности по сечениям.

2.                Выполняем команду сплайн по объекту и указываем 1­й шпангоут.

3.                Аналогично строим пространственные сплайны по объекту для 2­9­го шпангоутов.

4.                Для построения пространственного сплайна носовой оконечности. В табличной форме в столбцах располагаются значения координат X, Z (Y=0). Аналогично готовим и сохраняем файл кормовой оконечности.

5.                На диаметральной плоскости создаем эскиз. Вызываем команду сплайн по точкам. Завершаем эскиз.

6.                На диаметральной плоскости создаем новый эскиз. Вызываем команду сплайн по точкам. Завершаем эскиз.

7.                Выполняем команду сплайн по объекту и указываем форштевень, а затем и ахтерштевень.

8.                Выполняем команду поверхность по сети кривых, последовательно указывая носовую оконечность, 1­9­й шпангоуты, а затем и сплайн в кормовой части.

9.                Полученный первый борт корпуса зеркально отражаем.

Рисунок 2. Изображения

Рисунок 3. Изображения

Заключение

На основе выполненных практических приемов построения следует отметить, что, несмотря на сложную форму судостроительной поверхности, система автоматизированного проектирования КОМПАС 3D позволяет проектировать электронную модель корпуса судна для наглядного представления его формы и размеров. Такое проектирование можно проводить с использованием пространственных кривых и поверхностей разного типа.

«КОМПАС-3D» позволяет:

– обеспечить коллективную работу над проектом;

– избежать принципиальных ошибок на самых ранних стадиях проектирования;

– наглядно представить будущее изделие и проверить его собираемость;

– получить модель объекта и оценить возможные коллизии на этапе проектирования;

– произвести необходимые расчеты и оптимизацию конструкции без дорогостоящих натурных испытаний;

– изменять и модифицировать проект в кратчайшие сроки;

– в связке с CAM-системами существенно сократить время подготовки изделия к производству;

– быстро подготовить документацию на изделие или объект.

Благодаря программе 3д компаса в создания «Бронекатера» можно создать настоящею выставочную модель в увеличенном масштабе из вторсырья.

Список использованных источников

1.                Книга создания трехмерных моделей и конструкторской документации в системе компас-3D https://etu.ru/assets/files/Faculty-Fibs/PMIG/bolshakov-sozdanie-trehmernyh-modelej-i-konstruktorskoj-dokumentacii-v-sisteme-kompas-3d.p

2.                МОДЕЛИРОВАНИЕ ТРЕХМЕРНЫХ ОБЪЕКТОВ В СРЕДЕ КОМПАС-3D file:///C:/Users/GK/Downloads/компвс.pdf

3.                Как 3D-моделирование развивает пространственное мышление https://www.progkids.com/blog/kak-3d-modelirovanie-razvivaet-prostranstvennoe-myshlenie

4.                РАЗВИТИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОГО МЫШЛЕНИЯ ШКОЛЬНИКОВ СРЕДНЕГО ЗВЕНА С ПОМОЩЬЮ 3D-МОДЕЛИРОВАНИЯ https://cyberleninka.ru/article/n/razvitie-prostranstvennogo-myshleniya-shkolnikov-srednego-zvena-s-pomoschyu-3d-modelirovaniya?roistat_visit=1347716

5.                Методическое пособие "ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ЦИФРОВОГО СТОРИТЕЛЛИНГА В ОБРАЗОВАТЕЛЬНОМ ПРОЦЕССЕ" https://nsportal.ru/npo-spo/obrazovanie-i-pedagogika/library/2021/02/26/3d-modelirovanie-put-k-razvitiyu?roistat_visit=1347716

6.                ТЕОРИЯ КОРАБЛЯ Методические указания к практическим занятиям https://rep.bntu.by/bitstream/handle/data/6205/Теория%20корабля.pdf?sequence=1

7.                Скачано с www.znanio.ru