基于網絡環境的工程制圖教學互動平臺的研究

何永玲，李尚平，陶衛平，羅 孟

HE Yong-ling，LI Shang-ping，TAO Wei-ping，LUO Meng

（欽州學院，欽州 535000）

0 引言

工程技術人員的繪圖、讀圖能力和相關的能力素質，都是通過工程制圖課程的學習得以培養和提高的[1]。工程制圖是一門以圖形為研究對象，用圖形來表達設計思維的學科研究繪制和閱讀工程圖樣的原理及方法，培養制圖技能和空間想象能力的專業基礎課程，承擔了對學生工程意識、空間思維方式和初步創新能力的啟蒙和培養作用。工程圖樣主要用正投影的方法來繪制，三維立體與平面視圖的投影規律，內容較抽象，如：“截交線”的概念、“旋轉剖視圖”等概念，傳統的教學方式難以表達清楚，為此各高校都采用計算機輔助教學，制作多媒體網絡課件，以提高教學效率和質量。但大部分CAI（Computing Aided Instruction）課件只注重提高教師的教學效率，而忽視學生的互動，對網絡教學互動缺乏針對性的研究。本文針對此問題，在分析了教學互動的基礎上，重點研究了基于網絡的教學互動平臺的設計思想、總體設計方案和技術實現的方法和手段，構建利用計算機輔導學生完成作業和解答疑難問題的網絡教學互動平臺。利用網絡這個載體，學生可以與教學內容進行自然的交互，從而能更形象地獲取知識，激發思維，提高理解、分析與創造能力，提高學生的學習興趣和主觀能動性，使工程制圖能在較短的學時內，既強化了學生的動手能力，又培養了他們構型設計能力。

1 網絡教學互動平臺的結構組成及主要功能

本教學互動平臺以交互式技術為基礎，主要功能有課堂教學、習題解答、學習輔導、智能測試及資源庫等，將講課、測試、輔導和創新教學等環節融于一體，使學生能夠在計算機的輔導幫助下完成作業和解決疑難問題。如圖1所示為教學互動體系結構圖。

圖1 教學互動體系結構

1）課堂教學功能：本平臺運用多媒體技術，以視頻、音頻、畫面等多媒體技術模擬出教師授課的授課過程，如教授裝配圖部分時，本平臺運用三維制作的立體模型對裝配圖中所表現的每個機器或部件及它們的裝配程序、工作過程、工作原理等進行全方位的動態模擬（如圖2所示），能給學習者以身臨其境的感覺，增加了教學的趣味性，大大激發了學習者的學習興趣。該系統中的三維動畫及三維模型，全部采用虛擬現實建模語言（VRML）制作，便于網上傳遞，而且可從任意角度觀看模型，人機交互非常方便。

圖2 滑動軸承的虛擬裝配過程

2）習題解答功能：為滿足不同基礎的學習者的不同要求，本平臺每一道習題都包含標準答案、作圖分析、作圖游戲和三維立體模型等。學生點擊作業輔導菜單，便出現每一章的作業，選擇題目即打開習題解答系統。學生還可以選擇以作圖游戲的方式完成作業，中間的過程依靠計算機與標準作圖過程相比較作出判斷，給出相應的分數和正確率[2]。游戲做完后，可點擊工具欄作圖分析鍵對照分析過程，打開可交互式三維立體模型，從各個角度觀察分析，從而幫助學習者建立從三維到平面，又從平面到三維的轉換能力。本光盤還含有習題集的AutoCAD文件，可以直接在AutoCAD中打開該文件進行練習，將尺規繪圖與計算機繪圖有機地結合在一起。

智能測試是對學習者水平的檢測和鞏固，本平臺智能測試具備以下的功能[3]：

1）試題庫中存儲著大量的測驗題目及標準答案，主要是圖形數據庫中的基本數據和圖形屬性。

2）學生進行測驗解答時，系統將自動記錄測驗答案，包括繪圖區域內學生所作圖形的基本數據和屬性。

3）輔助信息，包括測試的評分取權規則、視圖投影的優先級順序、圖形結構要素的重要性等信息。學習者完成測試后，系統會自動評分，并提出學習建議。

資源庫由三維模型庫、二維掛圖庫、動畫庫存、視頻庫組成。其中三維模型庫是利用VRML建 模 語 言 結 合AutoCAD、Solid Edge、UG或CAXA等軟件建立起復雜的、立體的具有現場感和真實感的可供學習者全方位觀察和自由操作的虛擬現實三維模型庫，利用Web技術建立起與之配套的開放性交互式教學網站作為該模型庫的載體和教學平臺進行網絡教學。

2 交互式教學平臺設計與制作的關鍵技術

2.1 平臺設計的要求

平臺的多媒體課件應面向學生認的知和教材的知識結構，符合教學大綱和教學法，能直觀明了的表達概念、原理，能充分體現本課程的特色；為便于學生理解和激發學生的學習興趣，平臺設計要富于人性化，界面要友好，可操作性強，特別是 3D動畫和2D動畫要能形成時間感、立體感和動態感；平臺設計還要注意藝術性，應采用多種表現形式，構圖合理，以便于啟發學生思維，促使學生集中注意力；設計的平臺還應是可供修改、裝配的開放系統，應具備數據導入、數據輸出等功能。

2.2 平臺設計流程

平臺設計制作流程如圖3所示。

首先確定課題，選擇網絡互動平臺為設計開發的內容；接著教學設計和編寫腳本，教學設計基本上參照配套教材的教學單元（章、節），并積極聽取專業老師和學生的意見和建議，讓他們對計算機提供的各課內容進行選擇并確定合適的路徑，使教師、學習者的使用感覺不死板，自由；腳本編寫是整個教學平臺制作的核心技術環節，各種平臺設計思想和概念的都必須通過各種腳本體現出來；最后，依據腳本將文本、聲音、圖形、圖像、動畫等各種媒體通過編制程序加以組織，最終形成一個完整、系統的教學互動平臺。

2.3 工程制圖網絡教學平臺的制作技術

圖3 平臺設計流程圖

1）多媒體數據資源的采集制作。多媒體素材是系統內容的主要部分，將直接展現在使用者眼前，所以這些素材的質量直接關系到CAI課件的總體效果和可交互性。一般系統需要采集的資源主要包括：視頻、音頻圖像等多媒體素材、文本和相關數據。工程制圖多媒體教學平臺中主要有二維平面投影圖、三維造型圖、三維動畫及聲音、音樂和圖片等各種多媒體素材形式。二維平面投影圖的繪制一般可使用二維繪圖軟件如AutoCAD等，為了使二維平面投影圖的效果更加逼真，還可使用UG或CAXA等軟件用三維造型的方法制作部分二維平面投影圖。三維模型和三維動畫主要使用UG或CAXA等軟件。

2）人機交互界面設計。人機交互界面主要為使用者提供“導航，是使用者清楚的知道下一步如何操作，并且這些操作都盡量簡便易行。為此，平臺應在屏幕上充足的顯示相關指示信息，比如對屏幕按鈕提供使用說明等；界面應盡量做到一致的模式，并做到簡潔、有序、明了，使學生一目了然；在采用視頻、音頻、圖形等直觀信息表現教學內容時，一定要保證實現聲音、動畫、圖像的同步進行。

3）導航目錄程序設計。導航目錄可幫助使用者快速查找各部分的內容，使使用者在繁多的教學內容之間迅速到達需要的目的地。目錄也應設計地結構清晰，層次分明。在這一部分中可采用超級鏈接，使用超文本控制使設計變得簡單易行。

4）動畫的制作。利用AutoCAD圖形的尺寸，在UG或CAXA三維實體軟件中建立三維模型，進行材質紋理等方面的貼圖處理，使模型盡量與真實模型相似，然后再導出為VRML格式文件，再利用VRML語言編程實現復雜的三維場景的互動。

5）動畫控制的程序設計。動畫內容在整個平臺中占很大部分的比重，因此動畫的控制是平臺設計的重點。為了獲取更好的演示效果和使控制簡單易行，需設置播放、暫停、返回、窗口放大縮小等40個功能按鈕。

3 應用實例

經課題組成員的共同努力，制作成功的工程制圖網絡教學互動平臺操作界面如圖4所示。包含學習輔導、習題解答、教學、實踐、智能測試、學習指導、測試和創新等多個教學環節。學生可以通過網絡在逼真自然的虛擬模型室中漫游并像真實世界中那樣從任意角度任意方位地觀察模型，并能實時交互地動態改變三維模型，學習者能夠獲得很強的參與感和真實感，通過操作能得到比觀看傳統模型和普通二維、三維圖片模型更加直接的觀察經驗，使學習效果大大增加。在視頻庫中有名師們的上課錄像，也有UG、CAXA、Solid works、AutoCAD等軟件的教學課件，學生可任意調出學習。例如，學校機電創新設計協會的50名分別來自電氣工程、電子停息、物理、輪機工程的學生，他們通過此教學平臺，學會了計算機繪畫和尺規繪畫，并能應用CAXA軟體構建三維實體模型。

圖4 網絡教學互動平臺操作界面

4 結束語

工程制圖網絡互動學習平臺利用多媒體技術將文字、圖像、聲音等各種素材組織在一起，將靜態與動態、平面與立體進行有機結合，使教學內容更加豐富多彩，更加易于理解，使學習者的學習過程不再枯燥乏味，不再進步緩慢，而是生動有趣，學習興趣和學習效率都大大提高，學習者的空間想象力及閱讀、繪制工程圖樣的能力也能得到很好的鍛煉[4]。上述成果應用于欽州學院工程制圖精品課程的建設，在建設實踐中得到不斷的完善和修正。實踐證明，經過該平臺學習的學生具有較強的讀圖和計算機繪圖能力，如輪機工程071本科班學生，參加工業和信息化產業部組織的AutoCAD應用工程師認證考試，通過率100%。該教學成果2009年參加廣西高校第七屆教學軟件大賽，獲得一等獎和最佳技術實現獎。

[1]楊文通,李楊,皇甫平.工程圖學與金工實習結合的新全程教育體系研究[J].機械管理開發,2007,4：1-4.

[2]朱輝,曹桄.畫法幾何及工程制圖[M],上海科學技術出版社.

[3]趙宏.現代工程圖學CAI教學軟件的設計與開發[J].東華大學學報（自然科學版）,2007,33（3）：392-395.

[4]鄭芙蓉.現代工程圖學多媒體教學系統的設計與開發[J].中南民族大學學報（自然科學版）,2002,21（4）：97- 99.