CAD教育新方法：基于否定知识和传统结合的计算设计与工程学报研究

可在ScienceDirect上获得目录列表计算设计与工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/jcde计算设计与工程学报5（2018）80支持产品工程混合几何建模教育哈拉尔德·E费鲁乔？曼多利？奥托地址：Via Brecce Bianche，Ancona I-60131，Italy阿提奇莱因福奥文章历史记录：2017年3月12日收到2017年10月9日收到修订版，2017年2017年11月11日在线发布保留字：规范性几何知识从错误A B S T R A C T由于CAD系统完全集成到现代产品开发和工程中，创建可用几何模型的能力已成为当前CAD用户的基本要求。为了避免对未来的工程劳动造成严重影响，CAD教育的重点需要从仅仅旨在操作系统的知识教学提高到基本战略知识的发展。从教学的角度来看，这种情况是一项具有挑战性的任务，需要新的、创新的教学方法。这些新方法必须促进专门知识和认知能力的发展，以便在一个整体的心理模型中组织领域知识，从而准确感知环境的重要性和行动的可能后果。本文提出了一种新的CAD教育方向，即传统的教学方法与基于否定知识的教育方法相结合。这种新开发和实施的方法的第一个实证结果的分析表明，有希望的结果。在更好地理解与CAD模型的可用性相关的问题方面观察到了改进，并且提高了识别关键建模情况的能力，从而防止了新手通常犯的错误。此外，可以观察到成功的自主尝试从由小错误的积累或严重的建模错误引起的原位恢复，这通常需要学术主管的补救干预。©2017计算设计与工程学会Elsevier的出版服务这是一个开放在CC BY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）下访问文章1. 介绍目前，计算机辅助设计（CAD）系统在工业工程领域得到了广泛的应用它们用于创建几何模型，几何模型代表虚拟原型的核心，可用于系统内的分析和仿真，以支持设计师在决策过程中，同时也用于产品文档的目的。CAD系统在产品工程中的传播和应用也得到了高 等教 育 机 构工 程 系 引入 特 定 CAD 课 程的 支 持 ， 并从 中 受 益Butdee ， 2002; Dankwort ， Weidlich ， Guenther ， Blaurock ，2004; Xue，2005; Ye，Peng，Chen，Cai，2004）。在许多情况下，这些课程以实验室和实际练习为基础，旨在提供使用地理建模系统的培训然而，最具挑战性的目标是教授如何产生足够好的模型，由计算设计与工程学会负责进行同行评审。*通讯作者。电子邮件地址：f. univpm.it（F. Mandorli）。在产品开发过程中，充分解决这一问题仍然有许多不足之处。当然，足够好的概念取决于具体的应用领域，它可能需要与生产过程相关的高级工程知识（参见Bronsvoort和Noort（2004），Hamri，Léon ， Giannini 和 Falcidieno （ 2010 ） ， Hamri 等 人 （ 2004 ） ，Martin，Hadzistevic，Hodolic，Vukelic和Lukic（2012））。然而，首先有一些基本的要求，需要满足只在几何水平。换句话说，可用模型的概念可以在不同的维度和抽象层次在这里，最低层由几何层表示。在该级别，如果地理度量模型不包含任何严重的几何缺陷和空间异常，则可以认为该地理度量模型是可用的，这些几何缺陷和空间异常可能阻碍模型在建模过程的进一步步骤中使用的作用。例如，如果模型的几何形状没有几何缺陷（例如自相交表面、重叠表面、面之间的间隙），并且已经根据适当的公差值对其进行了建模，则可以认为模型的形状在几何级别上是可用的在几何层面之上，我们可以考虑分析层面。在这个层面上，可以考虑一个模型，https://doi.org/10.1016/j.jcde.2017.11.0062288-4300/©2017计算设计与工程学会Elsevier的出版服务这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。阁下Otto，F.Mandorli/ Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）8081如果它满足执行特定模型分析所需的所有要求，则可用。例如，当模型的形状是合理的并且被构造成允许进行有限元网格（FEM）分析、计算机辅助工程（CAE）分析或CAM模拟时，模型可以被认为是可用的。在与分析可用性相关的这一级别，与几何级别相关的标准与例如避免面之间的间隙、补丁之间的适当连续度等相关联。在下一个更高的抽象级别，可以考虑功能级别。在这个级别上，如果满足以下条件，则可以认为模型是可用的它满足单个部件或组件的可制造性、可组装性或功能的所有要求，其几何表示是为之设计和实现的。例如，模型的形状可以被认为是可用的，如果允许注塑生产，则为功能级别。在此，模型可用性是通过与基本几何水平相关的标准确定的，例如适当的壁厚、不存在底切。一般来说，对于任何被认为在上述特定级别可用的虚拟原型，一个必要的先决条件是它被认为在基本几何抽象级别传统的CAD教育方法是基于系统命令、用户界面教程和最佳实践的解释，所有这些都旨在操作CAD系统。然而，这种方法是不够的，发展的几何缺陷，可能会影响一个模型的认识，当一个当学生必须面对新的建模情况没有明确提到的教训，由于是新手，他们通常不认识到，某些策略可能会导致建模情况最好避免。这是因为教程和最佳实践通常教在本文中，提出了一种新的框架，支持一种新的教学方法，其中包括培训认识到的关键情况和随之而来的预防行动，可能会导致缺陷，使CAD模型无用的后续工程任务。这种方法，采用消极的知识，旨在加强教育内的CAD课程，工业工程和机械工程在高等教育机构。2. 背景、目的和研究大纲2.1. 虚拟样机在教育和工程实践在过去的十年中，几何造型系统的发展已经标志着在不同的模型表示，如表面模型，实体模型，网格模型的集成不可阻挡地加强的趋势。这一趋势在产品工程领域尤为明显。的主要原因对于这样的发展，需要增加对几个产品工程过程的支持，如设计、分析、模拟和生产过程。在设计的情况下，单个过程，如形状工程，注塑工艺的模具和腔体设计，以及夹具设计（参见Hirz，Dietrich，Gfrerrer，Lang，2013和图1）代表了示例，这些过程可以从实体-表面混合模型和相关的混合建模命令中受益。混合实体-表面环境的典型建模操作包括从实体中提取表面、将表面转换为块体或板体以及两种不同类型的模型之间的互操作性，例如，使用表面切割实体，反之亦然。然而，为了成功地应用这种类型，Fig. 1.产品工程背景下的几何模型与虚拟样机。在建模操作中，必须保留一些基本的几何要求。除非混合模型在几何上是合理的，否则不可能进一步发展用于分析和模拟的更专业的模型。从教育的角度来看，教学混合几何建模是一项具有挑战性的任务，因为它意味着实体建模的概念与基于表面的三维建模方法的特别是在处理曲面时，不同面片之间的适当缝合、曲面曲率、曲面连续性等概念，以及这些几何和拓扑属性对进一步建模命令的影响，对于新手来说并不容易理解。通常情况下，由于实施了不适当的策略而引入CAD模型的缺陷意识出现得太晚，无法避免关键情况和严重错误。发生这种情况的典型情况是在形状工程过程期间，当外部（美学）层，即物体的所谓的皮肤，首先被建模为表面，然后被转换为具有厚度的固体壳，将利用典型的固体建模方法向该固体壳添加适当的特征，以便获得部件的最终几何形状如果蒙皮曲面没有以正确的精度和所需的几何属性建模在这种情况下，新手无法继续建模过程，也不知道如何恢复。在这种情况下，大多数时候新手没有任何提示，为什么他们失败或错误发生在哪里。2.2. 目标和研究大纲对于产品工程，CAD教育需要一个课程设计和教学方法，超出了表面和实体建模的标准讲座的总和，以及这些领域的指导方针和最佳实践的范例。学习成果的一个核心部分不仅旨在发展领域知识和一般几何建模技能，而且最重要的是建立如何创建和管理可用的混合几何模型的能力。特别是，学生需要了解和理解在创建和编辑过程中可能会将几何模型转化为无法用于后续任务的模型的缺陷和错误，并且他们还必须能够识别并随后避免最有可能导致引入此类模型缺陷和错误的建模情况。因此，所提出的方法的目标是将基于积极知识的传统方法与与消极知识相关的方面相结合，以促进发展态势意识和关于如何不选择不适当行动的知识，并避免危急情况。82阁下Otto，F.Mandorli/ Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）80为了实现这一目标，已经开发了基于否定知识的新框架的概念和结构，并在实验练习和与学生的综合项目工作期间进行的初始实验工作中部署。实证研究的重点是与混合建模过程相关的典型问题，如下所示：如何创建符合所需邻接条件如何创建可转换为板材实体的曲面如何创建可转换为块体实体的闭合曲面。特别是，本文提出的方法和框架旨在将以下内容转化为明确的贡献。首先，一个新的概念，检查CAD模型的不足之处，混合建模，使我们能够定义错误和错误，从而产生明确的领域特定的规范性知识，明确这些错误是什么这不仅促进了该领域的理论发展，也为教育提供了新的机遇到目前为止，仅提供了指导方针和最佳实践，作为描述关于创建CAD模型的专有技术的隐含手段，从理论角度来看，关于几何建模基础，假设CAD模型是正确的第二，一个新的框架提供了一个理论和实践基础来表达，从而使明确的，根据我们最近制定的消极知识的概念设计的消极专业知识的核心要素这种类型的知识，反过来，基于我们新开发的概念的关键情况和行动约束。它利用与理解在CAD模型中在哪里寻找和寻找什么有关的知识结构。它还利用在建模和编辑动作的过程中开发的主观目标结构，并随后指导要避免哪些动作和策略，以避免错误和低效率。第三，一种新的方法，整合传统的积极的CAD教育方法与新开发的方法，面向消极的知识和专业知识是可能的，通过采用上述概念和框架。这在该领域首次提供了一种系统地反思错误并以一致的方式从错误中吸取教训的手段。因此，它支持能力发展的水平远远超过几何建模技能的发展，并仅仅介绍了在创建和编辑混合几何模型过程中可能出现的问题。3. 相关工作3.1. 工程方面的技能和专业知识许多关于专业知识的研究调查了专家的认知结构和过程，以了解专家知道什么，更重要的是，他们如何组织和利用这些知识来实现卓越的绩效，这将专家与新手区分开来。随着高等教育和知识创造的重要性不断提高，专门知识研究的实用价值也在迅速增加，特别是在开发更好的教学和培训方法以改善学习和技能发展方面。然而，由于专业知识的研究过去和现在仍然主要是以学科的方式在从心理学和哲学到神经科学和人工智能的各个领域进行的，由于缺乏跨学科的整合，它作为一个整体受到碎片化的影响。这代表了目前科学领域的困难局面，这并不是专门知识研究所特有的，这需要更多的努力来实现多学科和 跨 学 科 的 方 法 ， 最 近 在 Gobet （ 2016 ） ， Hambrick ，Macnamara，Campitelli，Ullen和Mosing（2016）中考虑。工程专业知识包括在特定技术相关领域获得的技能和知识（参见Hunt，2006; Winch，2010）。一般来说，专家与新手不同，他们倾向于将自己的知识组织在一个整体框架内，从而能够快速感知情境的重要性Posner，1988）。随着某一领域专业知识的增加，认知过程对情境线索的反应越来越快，而不是由抽象规则决定（参见Case，2014;Muller，2009;Winch，2013）。在几乎不犯严重错误的情况下有效地执行，即知道如何避免在某些情况下效率低下的严重错误和方法，是专业工程专业知识的基本特征。这种知道在某些情况下不应该做什么的知识被称为消极知识。3.2. 否定性知识关于否定知识的理论基础、概念和应用的研究可以追溯到几个不同领域的研究在与科学和技术有关的哲学和社会研究中，在许多情况下，发现消极知识与无知和不确定性主题中的未知工作有关在文献中，两种主要类型的无知被确定并被称为已知的未知和未知的未知（Gross，2007; Witte，Crown，Bernas，Witte，2008），它们与Smithson定义的有意识的无知和元无知（Smithson，1989）同义。已知的未知和未知的未知都源于知识的缺乏。已知的未知通常表示关于知识的极限的已知知识，包括我们知道我们不知道的事情在Knorr-Cetina（1999）中，否定知识被认为是一种元知识，代表了已知未知的特殊情况，指的是科学中知识的局限性无知，作为未知的未知，与知识的缺乏有关，以至于我们没有意识到它。例如，它包含了我们认为我们知道但不知道的所有事情（错误）。关于未知的未知数的早期工作可以在Kerwin（1993），Smithson（1993）中找到。正如Gross（2010）所指出的，这种无知的相关性可能是一个惊喜的来源，因为未知的未知完全超出预期。请注意，在这条研究线的隐性知识（参见。波兰尼，1967年）和所有的事情，我们不知道我们做的，通常被称为未知的已知（参见。Witte等人，2008年）。在人工智能领域，明斯基（Minsky，1994，2006）在他关于消极专业知识的著作中指出，专家们对于如何实现目标和如何避免灾难的了解，很大程度上在于他们知道在他们的领域里什么可能出错，哪些行为可能会造成麻烦，因此最好避免。在教育方面，Oser和Spychiger（2005）关于错误文化实践的工作使用对比方法将负面知识定义为与虚假事实和不适当的行动策略相关的知识类型这种方法可以被看作是指向消极知识作为一种形式的元知识揭示了积极知识的调节影响在他们的工作中讨论的例子中，作者还强调了在具体工作背景下的实践经 验 的 重 要 性 ， 因 为 这 是 获 得 负 面 知 识 的 主 要 方 法 （ 参 见Kolodner，1983; Oser，Näpflin，Hessel，Aerni，2012）。在知识管理中，Parviainen和Eriksson（2006）的工作集中在消极知识的陈述方面，即知道什么不知道，这与知道什么（不）做的本质上更程序化的方面相反。在他们的工作中，他们区分了两种类型的不知情，即个人的知情和不知情方法●●●阁下Otto，F.Mandorli/ Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）8083缺乏与专业知识相关的知识在前一种情况下，这种区别是指个人意识到自己缺乏相关知识，而在后一种情况下，则假设个人既缺乏相关知识，又缺乏对这一事实的意识（另见Bauer和Mulder（2007）、Harteis、Bauer和Gruber（2008）、Harteis和Bauer（2014）的讨论）。最近在管理学习领域的相关工作，在组织无知和未知管理的背景下缺乏知识的研究可以在Roberts（2012）中找到。关于消极知识 的 陈 述 性 和 程 序 性 方 面 的 更 多 细 节 可 以 在 Gartmeier 等 人（2008，2010）的最新工作报告中找到。这项工作讨论了与元认知的关系，以及认识潜力，使新的见解到各种知识相关和学习相关的领域。报告还审议了为提高如何执行任务的确定性、提高执行效率以及提高对行动和执行情况的思考的深度和质量所提供的支持。4. 方法、概念和框架4.1. 否定知识在教学法和能力发展的背景下，引入理论方法和框架处理负面知识的概念，有很大的机会引起不适当或不恰当的协会，所谓的从错误中学习的方法。在最坏的情况下，甚至可能导致错误的猜测，即前者只是后者的另一个变体。虽然这两个概念有一些共同的要素，通过这些要素在特定的视角下相互关联，但存在几个主要差异。一方面，消极知识是一种知识，它在本质上部分是隐性的，其中与关于一个主题的结构化信息有关的元素不同于积极知识中的对应部分，并且部分地补充了它们另一方面，从错误中学习是一种学习方法，它基于对任务执行过程中所犯错误的回顾性分析尽管如此，它们都是相互关联的，例如，通过关于在某些情境条件下更好地避免的事情的知识然而，从错误中学习，作为一种方法和学习框架，从来没有直接针对我们认为是消极知识的特定类型的知识的启发，因此，没有提供任何概念和结构来支持系统的编纂，记录和发展。目前，据作者所知，没有系统-关于如何引出、记录和发展负面知识的现有方法，这些方法正在高等教育中使用。在提出和讨论的框架内，我们提出了一个系统的方法，以启发，docu- mentation，和发展的负面知识，其中部分包括一些方面，接近的一些元素有关的概念，从错误中学习的方法。我们的方法是基于三个主要的概念，即临界情境，行动约束，模型缺陷。为了支持文件编制的各个方面和所提出的方法的实际实施，与各个框架概念有关的知识和信息元素被汇编到我们所谓的情况框中。4.2. 危急情况和行动约束的概念一个情境可以被抽象为一组与特定的模型配置、动作约束预期的失败，以及个人目标和子目标。反过来，这种情境的概念又由模型和背景来定义（参见《圣经》）。Mandorli Otto，2013; OttoMandorli，2012）。例如，一个具体的情况是由实际的模型配置在一个给定的背景下，在一个特定的目标，和假设的可能失败，如果是已知的这种情况下的行动约束被忽略。定义配置质量的属性即模型的好坏，与应用领域的规范性知识有关。特别感兴趣的是重要的模型配置，其描述了在特定上下文中的模型配置，该上下文中对于动作约束是重要的，而动作约束又与各个动作相关联。这些重要的模型配置可以通过映射到限制特定情况下可能的动作的具体约束来关联。这些限制提供了一个概念，考虑到消极知识的一部分，主要是隐性的性质，这涉及到跨各种不同类型的情况下的行动限制。在本文提出的工作中，上下文是混合几何建模的机械工程应用。这里，总体目标是通过对经受设计的产品的外部皮肤表面进行建模来在形状工程中创建可用模型，在随后的步骤中，所述外部皮肤表面可以被转换成实体部件并且补充有适当的组装特征，例如唇缘、口袋、孔、肋，如图2a和图2b中描绘的示例所示。在这种情况下，没有被适当建模的表面模型可能会导致不可用的模型，因为它们包含一些几何缺陷，这会阻止表面模型被转换为可以用所需的组件特征完成的实体模型。在此，临界情况是这样一种情况，其中如果执行不适当的动作，则可能导致引入CAD模型缺陷，例如，在如图所示的几何条件下扫掠截面曲线。 3a沿着具有小半径的路径容易导致如图3所示的自相交表面。 3 B.与知道在某种情况下不应该做什么有关的消极知识的要素可以被概念化为一种行动约束的形式。行动约束的概念，反过来，涉及到的前景，以确定关键的情况，并防止这些行动，这可能会导致引入模型的缺陷。换句话说，通过限制动作来避免错误和失误，这些动作具有通过使模型有缺陷而导致错误和失误的高倾向性，最终使其无法用于随后的形状工程任务。图二、形状工程中的CAD模型转换示例从左到右：（a）创建为曲面模型的外部蒙皮，（b）转换为添加了装配特征的实体模型的曲面模型。84阁下Otto，F.Mandorli/ Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）80图3.第三章。危急情况及其相关模型缺陷的示例从左到右：（a）临界情况的几何条件，（b）引入模型缺陷。4.3. 模型缺陷从理论的角度来看，模型缺陷表征了模型在特定背景下针对给定目标的缺陷。这代表了一种与消极知识性质一致的作案手法然而，它不同于传统的方法与积极的知识，重点是努力表征什么是被认为是好的，如良好的设计实践。这一概念可以被视为一个重要的要素，支持在特定情况和背景下应避免什么的定义和评估为了将这种方法转化为实践中的背景下，我们的框架概述，作为第一步，规范知识需要建立的要素，其特点的缺点，CAD模型的整体目标和背景下考虑。为此，提出了几何实体亏格的概念几何实体缺失被用作定性度量，以帮助在建模过程中表达某些情况的特征。这些特征通常导致模型结构不良，因此最好避免。换句话说，缺陷表示在特定应用领域中有意义的几何实体的一个或多个特征的丢失。请注意，在不同的上下文中，使用不同的目标设置（例如，在FEA建模的情况下），模型缺陷将在另一种方式几何实体缺陷被细分为单个实体和复合实体，前者涉及曲线，面片和固体，而后者涉及多曲线和多曲面（参见图1）。Mandorli Otto，2013）。4.4. 情况箱的概念和结构正如前面小节所解释的，目标、关键情况、行动约束和模型缺陷是相互关联的。为了防止CAD模型由于已知的缺陷而变得有缺陷，关于在与特定目标相关的特定建模情况下应该避免哪个动作的信息代表了开发学习和信息编译所需的战略知识的基本要素，该战略知识在某些情况和相关条件下不应该做什么应该注意的是，在模型中引入缺陷可能是错误的整个策略的结果，而不仅仅是错误的单个操作。因此，确定经受评估的当前情况是否可以被认为是安全的或已经是危急的需要额外的信息，诸如例如CAD模型的几何条件，这又部分地反映了直到（建模）情况对于模型不足导致危急情况时，可以采用回溯和恢复的机制然而，某些模型缺陷可能导致无法继续建模过程的情况，因为已经到达了所谓的死胡同通常，建模策略的形成和实施的目的是实现一个总体目标。然而，任何实际的建模过程在实践中，代表一个任务，可操作的战略的实施，是基于实现中间的子目标。这里，这些子目标的特性可以从非常战略性和不太详细（例如，创建旨在支持进一步建模命令的一组曲线）到相当局部和本质上更明确（例如，对特定单个补丁进行建模）变化得相当大为了支持如上所述的信息的表示、合成和文档化，我们开发并采用了具有基于文本的条目的表格式结构，我们将其称为情况框。图4中示出了情况框的注释示例。其他地方也给出了实际课程和课程工作中使用的情况框的具体例子。一个情况框由9个基本条目组成，除了一个标识符，该标识符通过一个情况名称引用与之相关联的情况。这些情况框条目的结构如下，与框架的特定组成部分相关。以与前面提出的框架一致的方式，情况框包含与模型配置集、个体目标和子目标、行动约束以及预期缺陷和故障相关的信息。目前，模型配置是由混合CAD模型的几何属性决定的。预期的缺陷和故障部分地由与应用领域的规范知识的关系确定，即混合几何建模和关于其模型缺陷和瑕疵的知识，这些缺陷和瑕疵由诸如例如几何实体缺陷的概念捕获和表达。5. 框架实施结构概述的主要任务是如何使用的概念，否定的知识和几何实体的缺陷，介绍和发展，实施的方法，并将其纳入当前的课程工作，机械计算机辅助设计（MCAD）的教育，给出了一个总结的形式，在IDEF 0-样图中所示。 五、如图所示，该过程的核心是从传统的教学任务开始的，通常是教师讲课的形式这些讲座的目的是介绍第一学科知识，阁下Otto，F.Mandorli/ Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）8085见图4。注释情况框的示例。基本概念和系统功能。在课程的这一部分结束时，学生已经获得了有关建模指南的知识（积极的知识），这些知识以成功的建模示例，最佳实践列表，建模命令描述等形式出现。第二步，学生们积极参与实验室建模练习，同时意识到在建模练习中创建的CAD模型将在以后的模型使用课程中使用。建模练习旨在培养技能，并测试学生正确应用最佳实践基础知识的能力。从理论上讲，在课程中学习了建模最佳实践的学生应该能够将所学内容转化为知识，以制定适当的建模策略，这是成功进行练习所必需的。然而，正如教育实践所示，新手需要一定的时间和空间进行实验，不仅要充分理解系统的操作方面，还要充分理解在应用最佳实践时建模操作的上下文后果。为了向学生明确说明不良建模策略可能带来的缺点，在该过程的下一步中，要求学生使用他们先前创建的模型在此模型使用任务中的练习中，学生将直接体验到模型中存在的缺陷如何影响甚至阻止先前创建的模型的有效使用。在这个过程的最后一步，学生开发的模型和出现的失败情况，收集和批判性地分析与教师一起在这一阶段，教师将明确地将失败情况与模型缺陷和不遵守最佳实践联系起来，同时还讨论关键的建模情况和应该避免的相关行动接下来，对收集和讨论的所有信息的分析结果进行组织，并将其转换为情况框，目的是明确表示分析过程中获取的负面知识（情况框的示例在评价部分中报告）。在此过程中形成的否定性知识不仅可以提高学生应当指出，所提出的方法可以适用于图五. 概述了新设计的CAD课程的教学过程和主要任务。情况名称情况的唯一标识符现状安全=只有严重的错误才能把现状变成有缺陷的局面关键=需要谨慎，因为被认为是错误的后续行动很容易导致缺陷死胡同（Dead-end）=以前造成的缺陷达到了严重程度，以至于建模任务几乎无法继续目标类型策略=完成当前任务Local=当前任务可以通过单个操作目标描述下一个建模任务几何模型配置描述有意义的几何模型属性，这些属性与下一个建模任务动作约束应避免预期的下一个情况危急=如果执行了行动约束中列出的行动，情况将变为危急情况Dead-end =如果执行了动作约束中列出的动作，情况将变成死胡同预期潜在失效描述在将所列缺陷作为预期缺陷引入模型的预期缺陷如果执行缺陷描述如果执行86阁下Otto，F.Mandorli/ Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）80不同的教育背景，它可以应用在一个可扩展的基础上。例如，可以在课程设计一级进行定制，根据学生的学习水平和预期的教学结果设计模型使用练习该方法在以下意义上也是可扩展的：教/学过程可以根据需要重复多次，以便覆盖课程的所有个体主题，例如表面质量、几何健全性和模型可在每一次迭代中，学生将受益于积极和消极的知识，在这一周期的发展。此外，所提出的方法可以通过调整与不同级别相关联的模型可用性的评估标准来针对不同程度的能力进行定制，所述不同级别例如是几何级别、分析级别或功能级别的可用性6. 经验数据评价6.1. 概述本节中介绍、分析和讨论的建模任务示例和数据样本是从CAD实验室练习中收集的经验数据以及作者所在系为二年级机械工程专业学生提供的与CAD课程相关的综合评估和讨论的经验数据分为两个部分追求定性和定量的方法。 第一部分的目的是支持的努力，解释如何一般任务，这是教学过程的一部分，前面所描述的，并描绘在图。5，已实际实施，同时也有利于定性评估。第二部分旨在支持洞察力和理解这种新开发的方法是如何影响学生的行为和学习成果，同时帮助证实我们的理论在高等教育中使用我们的负知识导向框架的好处。6.2. 定性数据和评估6.2.1. 背景和参照CAD课程的目标是多方面的，主要重点如下。首先，概述了几何模型在现代计算机辅助工业产品开发过程中的作用。其次，使用商用CAD系统在工业工程的背景下传达和传授混合建模的专业知识和技能。请注意，不是一个CAD系统，而是以组合方式部署两个CAD系统，以便就工业实践中常见的问题提供更真实的培训环境，例如不同的CAD系统用户界面和不同系统平台之间的CAD模型互操作性。这两个商业上可用的CAD系统被部署用于练习和项目工作，分别是来自Robert McNeel Associates的Rhinoceros 3D V.5.0，用于自由曲面建模，以及来自Siemens AG的参数化CAD系统Solid Edge ST7，用于形状工程。6.2.2. 实证研究实例在这一小节中，给出了一个混合几何建模的例子，并进行了定性分析。建模场景的焦点被设置为混合几何建模中经常被低估的一个关键问题，即创建足够结构化以转换为实体模型的表面模型，该实体模型进而可用于形状工程。讨论和分析的CAD练习的主题与设计和电动理发器的模型，这代表了学生的选择。周期1 -任务1：建模课程和教程：在这一阶段，教师仍然在通常的主导作用，同时介绍学科知识和理论领域特定的基础，特别是参考参数和Cartesian空间，曲线和曲面度，补丁邻接条件，修剪曲线和曲面的概念曲线和曲面造型命令也介绍和详细描述，同时也提供了应用程序的例子。比较了用扫描、放样等命令生成的曲面片，并说明了它们的在课程结束时，学生们已经学习了一组建模最佳实践和指导方针，这些实践和指导方针将指导他们在下一个任务中的建模活动。第1周期-任务2：自主建模练习：在这个阶段，学生从被动的接受者角色转变为主体角色。为了创建电动理发器的CAD模型，由学生开发和实施的建模策略如下：步骤1：两个平面曲线已建模，每个曲线在正交平面上对齐。这些曲线定义了要建模的目标形状的轮廓。这里的目的是利用形状的对称性来建模。 为了达到这个目标，必须仔细检查水平轮廓曲线如何与垂直平面相匹配（见图10）。 6）。这是通过对齐水平轮廓曲线两端的控制点来实现的，如图2所示。7.第一次会议。步骤2：为了保持形状的前部相对平坦，垂直轮廓曲线被复制并从水平轮廓曲线的初始部分重新建模，如图1和2所示。第8和第9条。第三步：第一条轮廓曲线被挤出，直到它到达第二条曲线，如图所示。 10个。然而，现在需要对到目前为止建模的对象后部第4步：对于侧补片的建模，创建四个横截面曲线，并如图所示放置。 十一岁请注意，这个贴片布局包含一个三曲线布局（图中红色的曲线）。 11），几乎肯定会导致后来的一个模型的情况下，这将是更好地避免。这代表了一种情况，通常被领域专家识别，但不被新手识别。在图12中，示出了如上所述的建模活动的最终结果。正如专家可以很容易地认识到的那样，它包含通常由新手犯的错误。特别地，壳上部的每个红色斑块包含退化顶点。由于缺乏对指南应用的深入理解和经验，大多数学生忽略了最佳实践规则，该规则建议避免3个边界补丁。除其他因素外，这种情况受到模型表面整体外观的见图6。 建模轮廓曲线的等轴测视图。阁下Otto，F.Mandorli/ Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）8087见图7。 建模轮廓曲线的俯视图。见图8。 重塑轮廓曲线的等轴测视图。这给人的印象是一组很好的补丁，它们彼此平滑地连接在一起。在这种情况下，作为一个不幸的后果，大多数学生往往低估的严重性和影响的问题，是有关这类引入模型的几何缺陷循环1 -任务3：模型使用练习：一旦学生完成了电动理发器外壳的建模，要求他们进行练习的下一步然而，由于严重的几何缺陷，通过建模操作，对所实现的贴片布局增加厚度是不可行的，因此完全阻止了学生进行下一个建模目标。遇到了一个死胡同。如图13a所示，严重的几何缺陷与面片的塌陷边缘有关，这导致顶点处的法线不确定。这种情况反过来又会产生不可预测的错误结果，从而对用于偏移三角形面片表面的算法产生不利影响，如图所示。 13 b.其他缺陷与偏移操作导致的具有尖峰的曲线的创建以及修剪曲线建模中的错误有关。间接证据表明，迄今为止创建的模型不足以完成指定的任务，学生要求学术主管解释并最终建议如何从这种情况中恢复。这就引出了我们拟议框架内的下一项任务。第1周期-任务4：模型评估：在此阶段，教师将重新扮演主导角色，但学生仍然积极参与并被提示呈现他们遇到的各种建模失败。进行批判性分析，并向所有学生介绍失败情况。识别遇到的模型缺陷，并将其与建模策略的不同步骤相关联。结果被收集、综合，并最终以情境框的形式记录，情境框是与建模、使用和评估活动相关的负面知识的明确表示。计划对连接的单个表面的布局进行建模的情况可以如图中的情况框（例如A）所示来描述。 十四岁这种对三角形片进行建模的关键情况，在所概述的上下文中，最有可能导致死胡同，由于缺乏领域知识和专业知识，大多数新手无法自行恢复，可以用如图2中的情况示例B所示的框架来描述。 十五岁图中的情形示例C中示出了旨在表示在偏移操作期间避免创建具有尖峰的曲线所需的负知识的情形框。 十六岁在修边曲线建模过程中，为了识别可能存在的危险，应该寻找什么，在哪里寻找，以及为了避免陷入死胡同，不应该做什么，这些信息在图D中的情况示例D中显示。 十七岁在模型评估过程中发展的负面知识和传统的正面知识一起通过情景框表示，旨在转化为学生能力的一部分，可以用于进一步的建模练习。为了测试这种方法是否会带来更好的学习效果和更好的能力发展，最终，学生们会被提示修改他们在之前的练习中创建的错误模型。我们的参考示例也是如此周期2-任务2：自主建模练习：在完成模型评估任务后，要求遇到严重建模失败的学生通过采用具有不同方法的修改的建模策略来重新建模电动理发器，以设计贴片布局。请注意，在实验部署了新开发的否定知识使能框架之后，学生们提出并实施了补丁布局设计的修订策略及其实际实现的细节，而没有学术主管的任何明确干预。步骤1：第二建模方法中的第一步以与第一方法中相同的策略来执行，即创建定义待建模的半形状的轮廓的两个平面曲线。见图9。 重新建模的轮廓曲线的顶视图。88阁下Otto，F.Mandorli/ Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）80见图10。 拉伸轮廓曲线的等轴测视图。见图11。 添加了四个横截面曲线的侧边贴片。见图12。 电动理发器外壳的曲面模型。图十四岁情况框，例如A。第二步：将位于垂直平面上的曲线线性拉伸，以定义形状的上部。在这种情况下，这种线性挤出最适合于模拟如图所示的“平”顶面。 十八岁请注意，线性拉伸将确保曲面的镜像副本将产生具有正确邻接连续性的两个面片。步骤3：如图1和图2所示，将位于水平面上的轮廓曲线偏移。19和20第四步：创建第一个曲面片（见图1）。 21），偏移曲线投影到顶部表面，然后用于修剪表面，如图所示。 22岁步骤5：通过遵循第二种方法中描述的建模策略，可以定义一个没有任何包含三角形曲线布局的区域的贴片布局，如图所示。 23岁使用此面片布局为后续曲面生成和一半外壳壳的建模铺平了道路，然后镜像复制以创建整个壳。(a)（b）第（1）款图13岁三角形面片需建模。从左到右：（a）具有曲线的初始三角形布局的贴片，（b）通过偏移贴片生成的错误表面几何形状情况名称计划对连接的单个曲面现状安全目标类型战略目标描述定义安全面片布局的几何模型配置任何动作约束不要定义包含潜在三角形面片的面片布局预期的下一个情况关键预期潜在失效三角形面片有一个退化的顶点，这可能会导致严重的问题，同时增加厚度的表面预期缺陷不良和有缺陷的贴片布局缺陷描述三角形面片可能会在待建模的表面中引入表面连续性和拓扑缺陷阁下Otto，F.Mandorli/ Journal of Computational Design and Engineering 5（2018）8089情况名称三角形面片现状关键目标类型当地目标描述创建三角形面片的几何模型配置包含曲线三角形布局的面片布局动作约束不创建三边界面片预期的下一个情况死胡同预期潜在失效给补片预期缺陷退化面片边界缺陷描述一个三边界曲面片有一个边界退化为一个顶点，曲面片的法线在这个顶点处是未定义的，并且在顶点邻域图十五岁情况框例如B。情况示例C：情况名称对具有尖峰现状关键目标类型当地目标描述使曲线几何模型配置包含高曲率区域的要偏移的单条曲线或多段曲线动作约束不进行偏移预期的下一个情况关键预期潜在失效（几何）连续性降低，导致曲线不平滑甚至不公平预期缺陷带尖峰的缺陷描述包含尖峰的曲线在控制点的数量和位置方面具有较低的几何质量，从而导致较差的连续性。如果曲线用于进一步的面片建模操作，则该缺陷很可能转移到面片图十六岁情况框例如C。第二个周期由于对将表面模型转换为实体模型所需的几何约束有了更好的理解，在前一个周期中获得了更好的理解，因此开发的模型现在足以用于形状工程阶段。 在这个形状工程阶段，额外的功能特征，如匹配唇，肋定位内部组件和螺钉固定装置的凸台已添加到模型中，如图所示。 24 a和b。请注意，由于学生在这个阶段的教育背景，缺乏有关工具生产和注塑模具的图十七岁情况框例如D。图18. 线性曲线拉伸的等