基于電子批閱系統(tǒng)的機(jī)械制圖課程教學(xué)改革與模擬實(shí)踐

摘 要 機(jī)械制圖課程在互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展的時(shí)代面臨著雙重挑戰(zhàn)：其一是學(xué)生和教師在網(wǎng)上交流作業(yè)困難的問(wèn)題日益凸顯；其二是制圖軟件的多樣性導(dǎo)致模型文件格式、版本不統(tǒng)一，給機(jī)械制圖的教學(xué)帶來(lái)了諸多不便。針對(duì)上述問(wèn)題，文章提出一種基于電子批閱系統(tǒng)的課程改革方案，通過(guò)Inventor插件設(shè)計(jì)與編程完成電子批閱系統(tǒng)模型并對(duì)其進(jìn)行模擬實(shí)踐評(píng)估。

關(guān)鍵詞 機(jī)械制圖；電子批閱系統(tǒng)；格式轉(zhuǎn)換

中圖分類號(hào)：G424 " " " " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A " " DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2025.03.001

Teaching Reform and Simulation Practice of Mechanical Drawing Course

Based on Electronic Marking System

CHEN Ping， HU Yu， HUANG Mingji， WANG Ning

（School of Mechanical Engineering， University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083）

Abstract After the rapid development of the Internet， the mechanical drawing course faces two challenges. One is that communication difficulties between students and teachers are becoming increasingly prominent. The second is the inconsistency of model file formats and versions due to the diversity of drawing software. These challenges create significant inconvenience in teaching mechanical drawing. To address these problems， this paper proposes a curriculum reform scheme based on an electronic marking system， designed and programmed with the Inventor plug-in to complete the electronic marking system and evaluate it in simulated practice.

Keywords mechanical drawing; electronic marking system; format conversion

在機(jī)械類專業(yè)的教育體系中，機(jī)械制圖課程占據(jù)著不可或缺的核心地位，它不僅構(gòu)筑了機(jī)械類專業(yè)學(xué)生深入專業(yè)領(lǐng)域的知識(shí)基礎(chǔ)，還是學(xué)生進(jìn)行后續(xù)機(jī)械專業(yè)課程學(xué)習(xí)及專業(yè)實(shí)習(xí)活動(dòng)的堅(jiān)實(shí)橋梁。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，計(jì)算機(jī)繪圖軟件在企業(yè)工廠中逐漸取代了傳統(tǒng)的手繪圖紙。為了使學(xué)生適應(yīng)這一發(fā)展趨勢(shì)，機(jī)械制圖課程已將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）繪圖軟件的實(shí)踐教學(xué)納入其教學(xué)大綱。眾多學(xué)者致力于建立和完善機(jī)械制圖課程的教學(xué)體系，加深學(xué)生對(duì)CAD知識(shí)的學(xué)習(xí)，進(jìn)而為國(guó)家培養(yǎng)一批能夠?qū)C(jī)械自動(dòng)化與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的杰出人才[1-3]。

然而，在機(jī)械制圖課程與計(jì)算機(jī)技術(shù)深度融合的背景下，CAD制圖作業(yè)的管理方式卻呈現(xiàn)出相對(duì)滯后的狀態(tài)，其成熟度尚不足以充分滿足當(dāng)前教學(xué)形式快速發(fā)展的實(shí)際需求[4]。隨著教學(xué)模式的不斷創(chuàng)新與教學(xué)手段的日益多樣化，CAD制圖作業(yè)的管理面臨著諸多挑戰(zhàn)，如作業(yè)提交方式的便捷性、作業(yè)批改效率的提升，以及作業(yè)反饋機(jī)制的優(yōu)化等方面，均存在進(jìn)一步完善的空間。同時(shí)，隨著網(wǎng)絡(luò)軟件安裝教程的頻繁更迭，學(xué)生個(gè)人電腦所安裝的CAD繪圖軟件普遍趨于最新，與之相對(duì)，教師群體受長(zhǎng)期習(xí)慣或工作環(huán)境限制，其使用的軟件版本明顯滯后，這一差異直接導(dǎo)致師生間因制圖軟件版本不一致因而格式不兼容，成為教學(xué)中的一項(xiàng)難題。針對(duì)該問(wèn)題，本文提出一種基于電子批閱系統(tǒng)的機(jī)械制圖課程改革方案，旨在通過(guò)構(gòu)建適配當(dāng)前教育生態(tài)的電子批閱系統(tǒng)模型以提升教學(xué)效率與質(zhì)量。

1" 核心技術(shù)

本研究設(shè)計(jì)的電子批閱系統(tǒng)分成兩個(gè)核心模塊：格式統(tǒng)一模塊和模型批注模塊。格式統(tǒng)一模塊作為電子批閱系統(tǒng)最重要的部分，其主要功能是將學(xué)生提交的作業(yè)進(jìn)行格式統(tǒng)一，同時(shí)可以更加系統(tǒng)性地將學(xué)生作業(yè)歸檔，方便教師查找。模型批注模塊則為教師批注工作提供場(chǎng)景，并且支持將批注信息直接添加到模型文件內(nèi)，以便學(xué)生接收。

1.1" 格式統(tǒng)一模塊

在三維建模與可視化領(lǐng)域，存在著多樣化的數(shù)據(jù)格式，如OBJ、GLTF及FBX等，每種格式均擁有其獨(dú)特的應(yīng)用場(chǎng)景與優(yōu)勢(shì)。其中，F(xiàn)BX文件能夠承載并存儲(chǔ)大量的模型信息，確保模型細(xì)節(jié)的完整性與精確性，并支持對(duì)轉(zhuǎn)換后的模型進(jìn)行信息的讀取和寫(xiě)入操作；當(dāng)FBX文件不包含復(fù)雜的模型動(dòng)畫(huà)數(shù)據(jù)時(shí)，其大小保持在合理且適中的范圍內(nèi)，這一特性顯著增強(qiáng)了文件在各類系統(tǒng)及互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的傳輸效率與便捷性[5]。因此，本文選擇FBX格式作為統(tǒng)一后的格式，旨在確保電子批閱系統(tǒng)在不丟失建模信息的前提下實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸。

選取三維繪圖軟件Inventor的格式轉(zhuǎn)換功能作為本研究的案例，通過(guò)應(yīng)用Inventor" API，編寫(xiě)了適用于學(xué)生操作的Inventor插件，并將其作為Inventor文件的格式轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換處理流程如圖1所示。其中最為核心的部分為“捕捉模型三維數(shù)據(jù)”。Inventor采用的是以多邊形面為單位元的建模方法，而FBX文件則僅以三角形作為單位元。因此，關(guān)鍵挑戰(zhàn)在于如何從Inventor文件中提取多邊形面單位元信息，并將其轉(zhuǎn)換為FBX格式所需的三角形單位元數(shù)據(jù)。生成FBX文件的工具包需要包含三角形的頂點(diǎn)、法線和索引等詳細(xì)信息，以及模型表面三角形的數(shù)量。在Inventor" API中，提供了獲取模型多邊形面單位元數(shù)量及其詳細(xì)信息的函數(shù)，通過(guò)這些函數(shù)，可以重新排列該單位元的頂點(diǎn)和法線，從而得到模型的三角形單位元數(shù)量及其詳細(xì)信息。通過(guò)復(fù)雜的算法與數(shù)據(jù)處理邏輯，插件能夠精準(zhǔn)地從學(xué)生提交的Inventor文件中捕捉所有必要的幾何、材質(zhì)、紋理及可能的其他元數(shù)據(jù)，為后續(xù)生成高質(zhì)量FBX文件奠定基礎(chǔ)。在數(shù)據(jù)提取與處理完成后，插件將這些信息導(dǎo)入專門設(shè)計(jì)的FBX生成器。該模塊利用先進(jìn)的轉(zhuǎn)換算法與優(yōu)化技術(shù)，確保生成的FBX文件包含了所有必要的模型信息，進(jìn)而保證數(shù)據(jù)的一致性與準(zhǔn)確性。

選取課程中測(cè)繪用的齒輪油泵模型作為格式轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換對(duì)象以觀察轉(zhuǎn)換功能的實(shí)現(xiàn)，整體運(yùn)行效果如圖2所示。圖2a和2c為Inventor三維模型，圖2b和2d分別為使用官方的FBX閱讀器查看生成的FBX模型。可以看出，圖2a中泵蓋零件模型的拉伸、沉頭孔、圓角等特征清晰地展示在圖2b中；圖2c中齒輪油泵裝配體的傳動(dòng)軸、螺母、泵體等零部件也成功轉(zhuǎn)換，并且每一個(gè)零件的位置關(guān)系都能與圖2d一一對(duì)應(yīng)。由此可以表明，格式轉(zhuǎn)換器不僅能夠有效處理單個(gè)零件的轉(zhuǎn)換，還能確保裝配體整體結(jié)構(gòu)的完整性與準(zhǔn)確性。

1.2" 模型批注模塊

本研究所設(shè)計(jì)的模型批注模塊包括多媒體批注和三維模型展示兩個(gè)子模塊。使用HTML編程編譯至網(wǎng)頁(yè)上，生成包含文件閱覽模塊和批注模塊的三維模型網(wǎng)頁(yè)閱讀器。

圖3（p3）所示為模型批注系統(tǒng)展示界面。其中操作界面位于網(wǎng)絡(luò)閱讀器頂端（圖3a），該界面集成了多元化的功能以優(yōu)化教師體驗(yàn)。界面內(nèi)置了文字批注工具，便于用戶直接在模型上添加說(shuō)明或建議；測(cè)量功能允許精確量取模型尺寸，滿足專業(yè)分析的需求；同時(shí)，用戶能通過(guò)放大與縮小功能靈活調(diào)整模型視圖，以適應(yīng)不同的觀察與分析場(chǎng)景。此外，系統(tǒng)還提供了固定視角選項(xiàng)，使用戶能夠從預(yù)設(shè)角度審視模型，確保觀察的連貫性與準(zhǔn)確性。

操作界面左側(cè)的目錄樹(shù)組件，可直觀展示模型的層級(jí)結(jié)構(gòu)，包括裝配體的整體名稱及其構(gòu)成的所有零件名稱。用戶通過(guò)點(diǎn)擊目錄樹(shù)中的相應(yīng)條目，能夠迅速定位并聚焦于某一特定零件，實(shí)現(xiàn)獨(dú)立查看與分析，極大提升了操作的便捷性與效率。

中央展示的交互界面為該模塊的核心區(qū)域，展現(xiàn)FBX文件三維模型圖紙，并集成了鼠標(biāo)交互功能。用戶通過(guò)拖拽與旋轉(zhuǎn)，輕松調(diào)整視角，實(shí)現(xiàn)模型細(xì)節(jié)的全景審視。此外，該界面還融合了批注功能（圖3b），用戶能直接以鼠標(biāo)為工具，在三維圖紙上進(jìn)行語(yǔ)音標(biāo)注，即時(shí)反饋機(jī)制提升了信息交流的精度，強(qiáng)化了模型審查與討論的互動(dòng)性。進(jìn)一步地，鼠標(biāo)右擊可精確定位模型零件，伴隨顏色變化與指引線標(biāo)識(shí)零件名稱，利用FBX格式的節(jié)點(diǎn)信息描述，批注模塊不僅支持模型瀏覽，還涵蓋文字與語(yǔ)音批注功能，右擊界面則展開(kāi)互動(dòng)菜單，為零件提供獨(dú)顯、隱藏及錄音等便捷操作，豐富了交互體驗(yàn)。

2" 使用方式

電子批閱系統(tǒng)需要教師、學(xué)生共同參與。本文將教師使用的端口稱為教師端，學(xué)生使用的端口稱為學(xué)生端。不同端口的參與者不同，因此使用方式也不相同。

2.1" 學(xué)生端

學(xué)生端是由Inventor上的插件實(shí)現(xiàn)，界面如圖4所示，上方是選擇插件的菜單，選擇后可以看到插件的功能，包括登錄學(xué)生的賬號(hào)、獲取作業(yè)信息、上傳作業(yè)等。

在機(jī)械制圖的建模課程中，教師會(huì)隨課程進(jìn)度布置作業(yè)，并統(tǒng)一作業(yè)的提交時(shí)間。學(xué)生在提交作業(yè)時(shí)要將作業(yè)文件提交到對(duì)應(yīng)的作業(yè)任務(wù)，這時(shí)學(xué)生只需點(diǎn)擊圖4中的“文件上傳”便會(huì)彈出圖5的界面，即文件上傳窗口。學(xué)生在“選擇任務(wù)”中選擇目標(biāo)文件提交至教師布置的對(duì)應(yīng)作業(yè)中。文件可以選擇只上傳裝配體本體，也可以上傳選中的裝配體和零件。在完成所有選擇后，單擊“上傳”按鈕即可將文件轉(zhuǎn)換并上傳至教師端。

該插件能夠自動(dòng)檢測(cè)并獲取學(xué)生端當(dāng)前正在瀏覽的CAD文件，同時(shí)提供一個(gè)直觀的用戶界面，允許學(xué)生從中選擇與之對(duì)應(yīng)的作業(yè)任務(wù)。這一設(shè)計(jì)確保了插件能夠準(zhǔn)確無(wú)誤地將學(xué)生轉(zhuǎn)換完成的文件上傳至教師指定的作業(yè)任務(wù)中，極大地簡(jiǎn)化了作業(yè)提交流程，并有效地提升了教師批閱作業(yè)的效率與便捷性。

除了上傳作業(yè)，學(xué)生端還能夠接收教師端的文件。其中“文件更新”的功能可以實(shí)現(xiàn)將教師端批閱后的文件下載下來(lái)，讓學(xué)生能夠根據(jù)教師的批注對(duì)作業(yè)進(jìn)行修改和再次提交。

2.2" 教師端

教師端主要有兩個(gè)功能：作業(yè)批閱和學(xué)生管理。其中批閱界面如圖3所示，其功能的使用方法參見(jiàn)1.2模型批注模塊。

教師在課程中往往要對(duì)多個(gè)學(xué)生進(jìn)行教學(xué)工作，因此教師端還需要一個(gè)具有學(xué)生管理功能的子系統(tǒng)。該系統(tǒng)內(nèi)嵌了作業(yè)布置與作業(yè)管理兩大核心功能，后者最為關(guān)鍵。教師可以通過(guò)作業(yè)管理對(duì)每位學(xué)生的作業(yè)進(jìn)行批注打分。教師只需要點(diǎn)擊想要批改的學(xué)生姓名或?qū)W號(hào)，就可進(jìn)入批閱界面開(kāi)始批閱，使得教師可以在短時(shí)間內(nèi)高效地完成作業(yè)評(píng)估工作，為其工作帶來(lái)了顯著的便利與提升。

2.3" 教師端和學(xué)生端的交互

教師端和學(xué)生端的鏈接可以實(shí)現(xiàn)課下作業(yè)互動(dòng)過(guò)程。教師先在教師端布置作業(yè)任務(wù)，讓學(xué)生在自己的電腦上或在機(jī)房中完成建模任務(wù)并上傳。在學(xué)生將作業(yè)提交上傳后，作業(yè)文件會(huì)被歸檔在學(xué)校提供的服務(wù)器上，同時(shí)被發(fā)送到對(duì)應(yīng)教師對(duì)應(yīng)的作業(yè)任務(wù)中。教師在教師端可以直接查看每一個(gè)學(xué)生的作業(yè)提交情況并閱覽已提交任務(wù)學(xué)生的模型，該過(guò)程無(wú)須另外安裝建模軟件的最新版本。教師在閱覽模型時(shí)，可以對(duì)學(xué)生的模型進(jìn)行批注和更改，并將批改后的文件上傳至服務(wù)器，進(jìn)而發(fā)送回學(xué)生端，便于學(xué)生修改調(diào)整。教師與學(xué)生可以不斷重復(fù)上述步驟，從而建立起一個(gè)積極向上的學(xué)習(xí)循環(huán)過(guò)程。該過(guò)程不僅強(qiáng)化了教師的主導(dǎo)作用，還充分發(fā)揮了學(xué)生的主體作用，通過(guò)師生之間的緊密互動(dòng)與協(xié)作，共同推動(dòng)教學(xué)質(zhì)量的持續(xù)提升與學(xué)生學(xué)習(xí)成效的顯著增強(qiáng)。

3" 預(yù)期效果分析

3.1" 學(xué)習(xí)成效方面

在傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，學(xué)生作業(yè)提交效率低下，師生之間缺乏交流反饋。通過(guò)電子批閱系統(tǒng)，學(xué)生和教師之間的溝通效率大幅提升。學(xué)生可以通過(guò)教師的批注進(jìn)行多次修正并再次提交，形成良性的學(xué)習(xí)循環(huán)過(guò)程，學(xué)生的學(xué)習(xí)效率大幅提升。同時(shí)教師能夠?qū)⒅R(shí)更加系統(tǒng)性地傳授給學(xué)生，并且能夠?qū)γ恳晃粚W(xué)生因材施教，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量。

3.2" 管理效率方面

面對(duì)學(xué)生群體的急劇膨脹及高校擴(kuò)招趨勢(shì)，傳統(tǒng)管理模式在作業(yè)管理上的局限性日益凸顯。通過(guò)電子批閱系統(tǒng)，教師可以將學(xué)生的作業(yè)文件存儲(chǔ)在服務(wù)器上，不必刪除先前學(xué)生的文件。同時(shí)系統(tǒng)內(nèi)部的學(xué)生管理系統(tǒng)還能將每個(gè)學(xué)生通過(guò)屆數(shù)、專業(yè)和班級(jí)進(jìn)行分類，并且將學(xué)生的分?jǐn)?shù)歸納入檔，方便后續(xù)查找，提高教師對(duì)學(xué)生作業(yè)的管理效率。

3.3" 批閱質(zhì)量方面

傳統(tǒng)模式下，教師批閱作業(yè)的反饋滯后，導(dǎo)致學(xué)生遺忘模型細(xì)節(jié)，且批閱多限于課堂口述或遠(yuǎn)程展示，難以個(gè)性化詳盡指導(dǎo)，限制了批閱效果的最優(yōu)化。通過(guò)使用電子批閱系統(tǒng)，可有效地解決上述問(wèn)題，確保批閱反饋的及時(shí)性，使學(xué)生能夠迅速獲取教師的評(píng)價(jià)與建議，使批閱的指導(dǎo)功能得以充分發(fā)揮。這種即時(shí)且個(gè)性化的反饋機(jī)制，不僅促進(jìn)了學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的深入理解與掌握，還增強(qiáng)了教師批閱對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)成效的積極影響，整體提升了教學(xué)質(zhì)量與效率。

綜上所述，電子批閱系統(tǒng)作為機(jī)械制圖課程改革的一項(xiàng)重要參考，顯著提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)效率與質(zhì)量，為教育過(guò)程帶來(lái)了深刻變革。該系統(tǒng)不僅簡(jiǎn)化了教師對(duì)學(xué)生作業(yè)的系統(tǒng)化管理工作流程，還通過(guò)即時(shí)反饋機(jī)制，強(qiáng)化了教師的指導(dǎo)作用，促進(jìn)教學(xué)相長(zhǎng)。此創(chuàng)新實(shí)踐不僅為機(jī)械制圖課程的課下作業(yè)教學(xué)開(kāi)辟了全新的視角，還為同類型課程的改革與發(fā)展樹(shù)立了典范，提供了可借鑒的寶貴經(jīng)驗(yàn)。

4" 總結(jié)與展望

針對(duì)當(dāng)前機(jī)械制圖課程在制圖軟件教學(xué)過(guò)程中遭遇的學(xué)生與教師交流不暢，以及制圖文件格式不統(tǒng)一等核心問(wèn)題，本文提出了一種基于電子批閱系統(tǒng)的課程改革方案，通過(guò)Inventor" API編寫(xiě)了建模軟件插件模擬學(xué)生端，基于HTML語(yǔ)言構(gòu)建了網(wǎng)頁(yè)批閱系統(tǒng)模擬教師端，并利用模擬服務(wù)器實(shí)現(xiàn)兩端之間的交互。在預(yù)期效果分析方面，從學(xué)習(xí)、管理與批閱三個(gè)維度出發(fā)，深入探討了電子批閱系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)教學(xué)系統(tǒng)所展現(xiàn)出的顯著優(yōu)勢(shì)。作為機(jī)械制圖課程等工科領(lǐng)域課程改革的重要參考與推動(dòng)力量，該課程改革方案的應(yīng)用前景廣闊且意義重大。

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