機(jī)械制圖在線綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張淑娟，趙華民，武志明，趙聰慧，陳振宇

(山西農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，山西太谷030801)

機(jī)械制圖是工科專業(yè)的一門重要的專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課。教學(xué)目標(biāo)主要是培養(yǎng)學(xué)生的看圖和畫圖能力。因此，在教學(xué)過程中，經(jīng)常需要進(jìn)行從三維形體到二維圖形，再從二維圖形回到三維形體的空間思維活動，以培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力和三維形體的二維表達(dá)能力，這是機(jī)械制圖課程教學(xué)的難點(diǎn)及重點(diǎn)［1］。在傳統(tǒng)教學(xué)中，學(xué)生的空間思維能力與想象能力的培養(yǎng)主要依靠老師結(jié)合掛圖、模型講解如何將三維實(shí)體模型轉(zhuǎn)化為二維圖形，二維圖形如何反映三維實(shí)體等。隨著學(xué)生數(shù)量的增多，傳統(tǒng)的教學(xué)方法顯得力不從心，老師講的費(fèi)時(shí)費(fèi)力，學(xué)生聽得枯燥無味，很難達(dá)到良好的教學(xué)效果。隨著計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)的發(fā)展，教師在上課時(shí)利用多媒體課件講解有關(guān)內(nèi)容，達(dá)到了提高課堂信息量，形象、直觀、清楚地將教學(xué)內(nèi)容展現(xiàn)給學(xué)生的教學(xué)效果。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，學(xué)生宿舍大多已聯(lián)網(wǎng)，為在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)開發(fā)打下了良好的硬件基礎(chǔ)。

已有學(xué)者對制圖課程的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)方法進(jìn)行了研究，開發(fā)了一些學(xué)習(xí)系統(tǒng)。2006年，葉琳等開發(fā)了基于網(wǎng)絡(luò)的工程制圖讀圖系統(tǒng)，使用了多種技術(shù)手段，并將具有可交互的、適時(shí)顯示的虛擬模型引入其中［2］;2008年，杜冬梅等開發(fā)了網(wǎng)絡(luò)化工程制圖輔助教學(xué)系統(tǒng)［3］。2010年，陳坤等針對當(dāng)前工程制圖授課學(xué)時(shí)減少，課后輔導(dǎo)缺乏，采用ASP技術(shù)和Access數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)開發(fā)了基于WEB的工程制圖習(xí)題庫系統(tǒng)［4］。以上各種學(xué)習(xí)系統(tǒng)，在制圖課的教學(xué)過程中發(fā)揮了重要的作用，但其趣味性、直觀性和創(chuàng)新性還有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)力求加強(qiáng)機(jī)械制圖課程的趣味性和直觀性，創(chuàng)新在線學(xué)習(xí)方法，改善學(xué)習(xí)條件，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性，進(jìn)而提高老師的教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。

一、系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)和總體分析

(一)系統(tǒng)使用的關(guān)鍵技術(shù)

目前，在線學(xué)習(xí)系統(tǒng)主要有兩類:C/S模式，B/S模式。前者主要的缺點(diǎn)是維護(hù)、升級較麻煩，后者是使用客戶端/服務(wù)器方式模式，客戶端是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的瀏覽器，服務(wù)器端是Web Server，其主要優(yōu)點(diǎn)是便于擴(kuò)展應(yīng)用、易于升級維護(hù)，所以本系統(tǒng)選用B/S模式。

系統(tǒng)主要采用ASP平臺，用 Vbscript語言、SQL數(shù)據(jù)庫作為技術(shù)支撐，采用 dreamweaver、photoshop、flash、Pro/E，AutoCAD 等工具和軟件處理系統(tǒng)開發(fā)過程的素材和進(jìn)行系統(tǒng)集成。整體設(shè)計(jì)遵循軟件工程的方法，包括需求分析、總體設(shè)計(jì)、文檔和代碼的編制、模塊測試和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)幾個(gè)階段。

(二)網(wǎng)站系統(tǒng)分析

按照系統(tǒng)開發(fā)的基本方法對系統(tǒng)進(jìn)行分解，內(nèi)容包括在線學(xué)習(xí)子系統(tǒng)、在線練習(xí)子系統(tǒng)、在線考試子系統(tǒng)3個(gè)模塊。

1．在線學(xué)習(xí)子系統(tǒng)。本模塊包含了機(jī)械制圖教學(xué)大綱所有內(nèi)容，并且可以在線以“翻書式”來閱覽和學(xué)習(xí)。也包含了一個(gè)內(nèi)容豐富動態(tài)模型實(shí)例視頻庫，以3D墻的形式展示出機(jī)械結(jié)構(gòu)的靜態(tài)圖片和三維模型。

2．在線練習(xí)子系統(tǒng)。在線練習(xí)系統(tǒng)的主要功能是當(dāng)學(xué)生學(xué)習(xí)完以后，可以及時(shí)鞏固練習(xí)，靠已掌握的知識來判斷和回答系統(tǒng)提出的問題，其中使用了各種flash技術(shù)，寓教于樂，讓學(xué)生不會感覺到枯燥無味，增加學(xué)習(xí)興趣。

3．在線考試子系統(tǒng)。本模塊要實(shí)現(xiàn)的功能主要是用戶的在線考試。包括用戶注冊登錄、試題模型設(shè)置、試卷生成，成績查閱。另外，還要實(shí)現(xiàn)對用戶信息的管理、試題庫管理、計(jì)算機(jī)自動閱卷，成績管理等功能。在線考試系統(tǒng)還應(yīng)該具有友好、簡潔的界面，高的安全性，強(qiáng)的穩(wěn)定性，能夠滿足100人以上同時(shí)進(jìn)行在線考試的要求。

二、在線學(xué)習(xí)綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

(一)主頁及數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

在線學(xué)習(xí)綜合系統(tǒng)的網(wǎng)站主頁采用iframe嵌入式框架表達(dá)方式，達(dá)到不變主頁就可以使用綜合系統(tǒng)的全部功能。主頁內(nèi)容按總體功能分為學(xué)習(xí)子系統(tǒng)、練習(xí)子系統(tǒng)和考試子系統(tǒng)3個(gè)部分(如圖1所示)。學(xué)習(xí)子系統(tǒng)包括課程介紹、課程學(xué)習(xí);練習(xí)子系統(tǒng)包括正投影法、截切相貫體、組合體、軸測圖、圖樣畫法、標(biāo)準(zhǔn)件與常用件、零件圖、裝配圖;考試子系統(tǒng)包括在線考試、系統(tǒng)管理和成績查詢。

圖1 機(jī)械制圖在線學(xué)習(xí)綜合系統(tǒng)主頁

考慮到本網(wǎng)站數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，采用 Microsoft Access數(shù)據(jù)庫［5］，在考試系統(tǒng)中建立一個(gè)名為test_admin．mdb的數(shù)據(jù)庫。其中記錄管理員賬號和密碼、統(tǒng)計(jì)學(xué)生考試成績、記錄學(xué)生信息、記錄判斷試題以及答案、記錄選擇題題目以及答案、記錄填空題題目及其答案。

(二)學(xué)習(xí)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1．設(shè)計(jì)思路。課程學(xué)習(xí)子系統(tǒng)采用frame框架，分為左右部分。點(diǎn)擊左邊的鏈接實(shí)現(xiàn)右邊框架內(nèi)容的更換。右框架采用flash技術(shù)［6］，以“翻書式”方式生動展示書本知識、學(xué)習(xí)課件等，其操作風(fēng)格類似學(xué)生看書的過程，大大增加了學(xué)習(xí)的生動性和趣味性，如圖2所示。

圖2 學(xué)習(xí)子系統(tǒng)“翻書式”操作界面

2．課程學(xué)習(xí)子系統(tǒng)內(nèi)容。本子系統(tǒng)內(nèi)容包括制圖課程的基本資料，還包括了課件、電子教材及三維模型庫。

三維模型庫采用flash特效技術(shù)展示了機(jī)械設(shè)計(jì)中常用部件的裝拆動畫和三維模型動畫，以及對應(yīng)的二維圖形。以3D炫彩和輪轉(zhuǎn)方式展示模型視頻動畫中的截圖，鼠標(biāo)放置相應(yīng)的圖標(biāo)上則顯示該視頻的主題以及相關(guān)信息，單擊則彈出窗口播放相應(yīng)的動畫視頻。如圖3所示是點(diǎn)擊視頻庫中“減速器截圖”后播放減速器結(jié)構(gòu)動畫。

圖3 點(diǎn)擊視頻庫3D墻上的減速器截圖后播放對應(yīng)實(shí)例

(三)練習(xí)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

為了方便學(xué)生練習(xí)機(jī)械制圖習(xí)題，課程團(tuán)隊(duì)教師根據(jù)自己多年的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)了典型習(xí)題，以動畫特效的形式在本系統(tǒng)中供學(xué)生練習(xí)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。練習(xí)系統(tǒng)中將這些習(xí)題，通過集中分類處理，再根據(jù)習(xí)題的難易程度，共劃分成8個(gè)章節(jié):正投影法、截切相貫體、組合體、軸測圖、圖樣畫法、標(biāo)準(zhǔn)件與常用件、零件圖、裝配圖。學(xué)生可根據(jù)自己的需要和要求，點(diǎn)擊適合自己的章節(jié)，完成習(xí)題練習(xí)。

練習(xí)子系統(tǒng)中題型共分21種，根據(jù)每種題型的特點(diǎn)都采取了不同的技術(shù)手段和展示形式，充分體現(xiàn)了其多樣性、趣味性，而且操作簡單、功能齊全。展示形式包括:雙擊可以顯示答案、拖動圖形到正確位置，交叉連線、在圖形找錯(cuò)并點(diǎn)擊標(biāo)記，文本框提交，鼠標(biāo)在圖上直接繪制線、圓，橢圓等，實(shí)現(xiàn)與學(xué)生的互動。操作正確時(shí)還會彈出笑臉，加油等各種趣味圖片和文字對學(xué)生進(jìn)行提示和鼓勵(lì)。

例如題型七，把傳統(tǒng)的已知兩視圖畫出第三視圖的作圖題改為選擇題，通過鼠標(biāo)拖動，將正確的視圖拖放到指定位置，如圖4所示。拖移正確則系統(tǒng)提示“恭喜!”，拖移錯(cuò)誤則系統(tǒng)提示“再考慮考慮”。這種操作具有很強(qiáng)的趣味性，學(xué)生不會感到枯燥乏味。

圖4 題型七拖動題

再如題型十七，見圖5。本題通過使用flash技術(shù)實(shí)現(xiàn)在線畫圖功能，在頁面上可以選擇使用直線、畫筆、橡皮等工具進(jìn)行鼠標(biāo)畫圖。直線、畫筆可調(diào)粗細(xì)。作圖錯(cuò)誤可以撤銷上次操作。橢圓、圓可以改變筆刷的顏色，可以填充。圖中的標(biāo)尺按照工程單位設(shè)計(jì)，每小格之間的距離是1mm。單擊“顯示”則顯示正確答案，單擊“隱藏”則隱藏正確答案。完成題目后的結(jié)果見圖6。

(四)考試子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

該子系統(tǒng)是專門用于學(xué)生參加在線考試以及管理員進(jìn)行試題和成績管理。具有開放性、方便性和靈活性的特點(diǎn)。

為了保證系統(tǒng)運(yùn)行的效率和可靠性，系統(tǒng)服務(wù)器端應(yīng)具有較高的軟硬件配置以便同時(shí)容納多名同學(xué)在線考試，客戶端則是IE瀏覽器。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖包含如下幾部分，如圖7所示。

圖7 在線考試子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

考試前教師將試題全部錄入試題庫。本系統(tǒng)目前只考察客觀題部分和主觀填空題部分。一般情況下，判斷題是包括正確和錯(cuò)誤;單選題在A、B、C、D中選擇唯一正確的答案;鑒于主觀題的主觀性，目前還無法完全實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無誤判卷，所以暫時(shí)沒有上線。

考試時(shí)，考生進(jìn)行身份驗(yàn)證登錄系統(tǒng)以后，系統(tǒng)會自動進(jìn)入到主界面，顯示該學(xué)生的相關(guān)信息及近期的考試信息，學(xué)生可以點(diǎn)擊查看自己以前的考試情況了解到自己的第幾期考試的分?jǐn)?shù);學(xué)生可以進(jìn)入試題練習(xí)系統(tǒng)，此系統(tǒng)的題目也是從試題庫中隨機(jī)抽取，但是不記錄分?jǐn)?shù)，使學(xué)生熟悉考試環(huán)境。登陸后的考試系統(tǒng)主界面如圖8所示。

圖8 登陸后的考試系統(tǒng)主界面

一旦進(jìn)入在線考試，系統(tǒng)將自動調(diào)取試題庫的試題并隨機(jī)抽取和分配，每個(gè)人的試卷都不同。考生在答題過程中的答題信息通過單選按鈕選擇答案來反映。考試結(jié)束采取自主交卷的方式辦法予以實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)會在考試時(shí)間結(jié)束前1分鐘提示考生交卷并且在考試時(shí)間完成以后自動為考生交卷?？忌峤辉嚲砗蠹纯煽吹阶约旱目荚嚦煽儯浞?jǐn)?shù)將被記入庫中以供審核和查閱。教師可以查看學(xué)生的姓名、考試是否及格、是否需要補(bǔ)考。

三、結(jié)論

本文討論了機(jī)械制圖課程在線學(xué)習(xí)綜合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。介紹了在線系統(tǒng)的一些功能實(shí)現(xiàn)過程和設(shè)計(jì)思路。本系統(tǒng)的內(nèi)容已經(jīng)在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)的機(jī)械制圖與計(jì)算機(jī)繪圖國家級共享課程網(wǎng)站上使用，并獲得了學(xué)生的普遍好評。但是系統(tǒng)本身也還有很多不足，需要繼續(xù)完善和擴(kuò)充。比如可以將更多的知識、更多的考試方式納入進(jìn)來，以適應(yīng)多層次的考試。隨著該系統(tǒng)的不斷完善，將會為本門課程實(shí)現(xiàn)考試的無紙化，為學(xué)生能更輕松愉快地學(xué)好本門課程提供有效的服務(wù)。

［1］ 周靜卿，張淑娟，趙鳳芹．機(jī)械制圖與計(jì)算機(jī)繪圖［M］．北京:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社，2009．

［2］ 葉琳，邱龍輝，張惠英，等．基于網(wǎng)絡(luò)的工程制圖讀圖系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)［J］．實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理．2006，23(4):74-76．

［3］ 杜冬梅，李紅，張志，等．網(wǎng)絡(luò)化工程制圖輔助教學(xué)系統(tǒng)研究［J］．中國電力教育，2008，118(8):96-97．

［4］ 陳坤，陳志偉．基于WEB技術(shù)的工程制圖習(xí)題庫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］．西南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)．2010，35(5):178-181．

［5］ 薩師煊，王珊．?dāng)?shù)據(jù)庫系統(tǒng)概論［M］．北京:高等教育出版社，2000．

［6］ 金衛(wèi)臣．中文版Dreamweaver+Flash+Photoshop網(wǎng)頁制作三合一教程［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2003．