Статья посвящена использованию программы FreeCAD как одного из инструментов для обучения школьников трехмерному моделированию. FreeCAD — это бесплатное и открытое программное обеспечение, которое предоставляет широкий спектр возможностей для создания и редактирования твердотельных 3D-моделей. Рассматриваются преимущества использования FreeCAD в образовательном процессе, его функциональные возможности и влияние на развитие технических навыков у учащихся. В статье также рассматривается включение трехмерного моделирования в учебные планы.
Ключевые слова : трехмерное моделирование, программное обеспечение, обучение школьников, модель, трехмерная графика, школьное образование.
Введение
В настоящее время рынок труда испытывает все большую потребность в инженерах-конструкторах, поскольку идет активное развитие различных отраслей промышленности. А процесс проектирования практически любого изделия включает в себя создание его трехмерной модели. Также остается популярной и востребованной профессия дизайнера, в которой тоже нередко применяется трехмерная графика.
Соответственно, базовое знакомство с трехмерной графикой еще в рамках школьного образования поможет обучающимся расширить кругозор, определиться с будущей профессией или просто освоить новое, увлекательное занятие.
Трехмерное моделирование становится все более актуальным в современных образовательных учреждениях, так как оно развивает творческое мышление, пространственное восприятие и навыки работы с цифровыми технологиями. Программа FreeCAD предлагает интуитивно понятный интерфейс и мощные инструменты, что делает её подходящей для обучения школьников.
Роль трехмерного моделирования в школьном образовании
Традиционно, трехмерное моделирование воспринималось педагогами, как правило, как часть предметной области «Информатика» [1]. Это обусловлено использованием компьютерных средств как основы трехмерного моделирования. Между тем, предметная область «Информатика» ставит целью обучение работе именно с информацией, алгоритмами. Трехмерные же модели применяются чаще всего как средство виртуального представления материальных объектов. Этими объектами могут являться детали, сборки и готовые изделия.
Современная промышленность широко полагается на трехмерное моделирование при разработке изделий. На базе трехмерных моделей создаются чертежи, расчеты, технологические процессы, рекламные материалы будущего изделия. Нередко, прототипы изделий изготавливают методом трехмерной печати.
Обучение материальному производству- одна из основных задач предметной области «Технология». Соответственно, по нашему мнению, курс твердотельного трехмерного моделирования должен рассматриваться как часть технологической подготовки школьников.
Тем не менее, возможно изучение в школе и полигонального моделирования в рамках предметной области «Информатика» или в рамках дополнительного образования, так как полигональные модели широко используются для визуального представления информации.
Выбор метода представления моделей
Существует 3 наиболее распространённых метода представления геометрической формы трехмерных моделей в компьютере:
– Полигональный
– Сплайновый
– Твердотельный
Полигональный метод наиболее простой- все поверхности модели состоят из полигонов — плоских фигур, заданных координатами опорных точек в трехмерном пространстве. Такой метод широко применяется для получения реалистичных изображений модели или в развлекательных целях (компьютерные игры). Однако для проектирования объектов материального мира он не подходит ввиду невозможности математически точного представления кривых — в полигональной модели кривые составляются из отрезков прямых, при достаточном их количестве это незаметно на визуализированных изображениях, но модель остается неточной.
Сплайновый метод состоит в создании модели из отдельных поверхностей, которые описаны кривыми. Этот метод широко используется в промышленном дизайне с применением программного обеспечения Rhinoceros. Для выполнения окончательного проектирования объектов материального мира этот метод также не очень подходит — сплайновая модель не имеет внутреннего объема, который необходим для расчетов.
При выполнении инженерно-конструкторских работ чаще всего применяется твердотельный метод моделирования. При данном методе из эскизов — плоских чертежей создают объёмные тела, затем к ним применяются логические действия — вырезание, пересечение и т. п. В результате получается модель, имеющая внутренний объём и описанная закрытыми поверхностями. Модель также может иметь параметризацию — параметры действий построения модели связывают между собой математическими формулами, что позволяет быстро получать серию сходных моделей с разными свойствами.
Поскольку для проектирования чаще всего применяется твердотельный метод моделирования, программное обеспечение, реализующее такой метод, будет разумно применять в технологическом образовании.
Выбор программного обеспечения
Программное обеспечение для твердотельного моделирования еще называют трехмерными системами автоматизированного проектирования. Как правило, это сложные программные пакеты, помимо собственно твердотельного параметрического моделирования включающие в себя возможности сплайнового моделирования, оформления чертежей, выполнения расчетов, технологической подготовки производства, подготовки трехмерной печати и обработки на автоматизированных станках, управления групповой работой над проектом. В рамках школьного курса удается использовать лишь небольшую часть таких возможностей. В данной статье не рассматривается зарубежные САПР для больших организаций, так как их применение в общем образовании избыточно и потребует существенных вложений.
Tinkercad — облачная онлайн-САПР от компании Autodesk.Она специально разработана для образовательных целей. Интерфейс Tinkercad упрощен и интуитивен. Однако, данный сервис имеет ряд недостатков, среди которых работа в браузере и привязка к аккаунту, весьма ограниченные функции параметризации, эскизов, привязки. Данный сервис подходит только для начального этапа обучения трехмерному моделированию
Fusion 360 — более функциональная облачная САПР от компании Autodesk. В отличие от Tinkercad выполнена в виде полноценного приложения, а не браузерного веб-приложения, однако для работы по-прежнему требует подключения к Интернету и привязки к аккаунту, что затрудняет использование в случае недоступности серверов. Интерфейс простой и понятный, однако отображения последовательности действий может запутать пользователей, привыкших к дереву построения модели в других САПР.
T-FLEX — профессиональная отечественная САПР. Может использоваться для очень сложных проектов. Содержит множество дополнительных модулей, необходимых для большинства современных конструкторских задач. Концепция работы в данной САПР подразумевает параметризацию практически всех действий, в том числе, построения двумерных эскизов. T-FLEX — САПР с огромными возможностями, однако такое разнообразие способов получения одного и того же результата может дезориентировать неопытного пользователя. Для применения в школьном обучении данная САПР избыточна.
Компас-3D — широко распространённая отечественная САПР. Как и T-FLEX, содержит много различных функций. Однако, интерфейс Компас-3D более простой, чем T-FLEX. Этим и обусловлена высокая популярность данной САПР в отечественном образовании.
Все вышеперечисленные САПР являются проприетарными продуктами. Все, за исключением Tinkercad, платные, однако существуют учебные лицензии.
В рамках отказа от зарубежного проприетарного ПО во многих школах осуществляется переход на операционные системы на базе ядра Linux.Однако большинство САПР, в том числе отечественных, разработано только для Windows.Отчасти, проблему несовместимости можно решить, используя WINE- программную утилиту для запуска под Linux программ, разработанных для Windows.Однако, опыт участия в проведении олимпиады по 3D-моделированию в одной из школ, где на компьютерах с Linux через WINE была запущена САПР, показал нестабильность такого способа работы. Во время выполнения некоторых действий, программное обеспечение переставало реагировать на действия пользователей и требовало перезапуска.
Возникла потребность в кроссплатформенной САПР, которая может функционировать на компьютерах с Linux напрямую, без дополнительных утилит. Таковой является FreeCAD.
Преимущества использования FreeCAD в образовании
- Доступность: FreeCAD является бесплатным и открытым программным обеспечением, что позволяет школам использовать его без дополнительных затрат.
- Многофункциональность: Программа поддерживает различные подходы к моделированию, включая параметрическое, что позволяет ученикам создавать сложные модели.
- Открытый исходный код, расширяемость: FreeCAD может быть дополнена по желанию пользователя как с помощью скриптов, так и написанием собственных модулей. В образовании возможно, например, интегрировать систему с LMS или автоматизировать проверку заданий.
- Кроссплатформенность. FreeCAD может использоваться как в Windows, так и в Linux
- Система «верстаков». Верстаки- отличительная особенность FreeCAD. Верстаки — это программные модули, которые содержат в себе группу инструментов для выполнения определенного класса задач.
Стоит отметить, что недостатки у FreeCAD имеются. Это, прежде всего, не самый удобный интерфейс построения эскизов по сравнению с Компас-3D
Возможности интеграции FreeCAD в учебные планы:
– Практические занятия: Включение трехмерного моделирования в уроки технологии.
– Проектная деятельность: Организация проектов, где ученики создают свои модели.
– Олимпиады и выставки: Участие в конкурсах по 3D-моделированию, что стимулирует интерес к обучению.
Вывод
Программа FreeCAD может рассматриваться как отличная альтернатива коммерческому ПО при обучении школьников трехмерному моделированию.
Литература:
- Лычагин А. И. Обучение будущих учителей технологии трехмерному моделированию как актуальная психолого-педагогическая проблема // Бизнес. Образование. Право. 2022. № 4(61). С. 297–302. DOI: 10.25683/VOLBI.2022.61.418.
