基于网络环境的工程制图教学互动平台的研究

何永玲，李尚平，陶卫平，罗 孟

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

（钦州学院，钦州 535000）

0 引言

工程技术人员的绘图、读图能力和相关的能力素质，都是通过工程制图课程的学习得以培养和提高的[1]。工程制图是一门以图形为研究对象，用图形来表达设计思维的学科研究绘制和阅读工程图样的原理及方法，培养制图技能和空间想象能力的专业基础课程，承担了对学生工程意识、空间思维方式和初步创新能力的启蒙和培养作用。工程图样主要用正投影的方法来绘制，三维立体与平面视图的投影规律，内容较抽象，如：“截交线”的概念、“旋转剖视图”等概念，传统的教学方式难以表达清楚，为此各高校都采用计算机辅助教学，制作多媒体网络课件，以提高教学效率和质量。但大部分CAI（Computing Aided Instruction）课件只注重提高教师的教学效率，而忽视学生的互动，对网络教学互动缺乏针对性的研究。本文针对此问题，在分析了教学互动的基础上，重点研究了基于网络的教学互动平台的设计思想、总体设计方案和技术实现的方法和手段，构建利用计算机辅导学生完成作业和解答疑难问题的网络教学互动平台。利用网络这个载体，学生可以与教学内容进行自然的交互，从而能更形象地获取知识，激发思维，提高理解、分析与创造能力，提高学生的学习兴趣和主观能动性，使工程制图能在较短的学时内，既强化了学生的动手能力，又培养了他们构型设计能力。

1 网络教学互动平台的结构组成及主要功能

本教学互动平台以交互式技术为基础，主要功能有课堂教学、习题解答、学习辅导、智能测试及资源库等，将讲课、测试、辅导和创新教学等环节融于一体，使学生能够在计算机的辅导帮助下完成作业和解决疑难问题。如图1所示为教学互动体系结构图。

图1 教学互动体系结构

1）课堂教学功能：本平台运用多媒体技术，以视频、音频、画面等多媒体技术模拟出教师授课的授课过程，如教授装配图部分时，本平台运用三维制作的立体模型对装配图中所表现的每个机器或部件及它们的装配程序、工作过程、工作原理等进行全方位的动态模拟（如图2所示），能给学习者以身临其境的感觉，增加了教学的趣味性，大大激发了学习者的学习兴趣。该系统中的三维动画及三维模型，全部采用虚拟现实建模语言（VRML）制作，便于网上传递，而且可从任意角度观看模型，人机交互非常方便。

图2 滑动轴承的虚拟装配过程

2）习题解答功能：为满足不同基础的学习者的不同要求，本平台每一道习题都包含标准答案、作图分析、作图游戏和三维立体模型等。学生点击作业辅导菜单，便出现每一章的作业，选择题目即打开习题解答系统。学生还可以选择以作图游戏的方式完成作业，中间的过程依靠计算机与标准作图过程相比较作出判断，给出相应的分数和正确率[2]。游戏做完后，可点击工具栏作图分析键对照分析过程，打开可交互式三维立体模型，从各个角度观察分析，从而帮助学习者建立从三维到平面，又从平面到三维的转换能力。本光盘还含有习题集的AutoCAD文件，可以直接在AutoCAD中打开该文件进行练习，将尺规绘图与计算机绘图有机地结合在一起。

智能测试是对学习者水平的检测和巩固，本平台智能测试具备以下的功能[3]：

1）试题库中存储着大量的测验题目及标准答案，主要是图形数据库中的基本数据和图形属性。

2）学生进行测验解答时，系统将自动记录测验答案，包括绘图区域内学生所作图形的基本数据和属性。

3）辅助信息，包括测试的评分取权规则、视图投影的优先级顺序、图形结构要素的重要性等信息。学习者完成测试后，系统会自动评分，并提出学习建议。

资源库由三维模型库、二维挂图库、动画库存、视频库组成。其中三维模型库是利用VRML建 模 语 言 结 合AutoCAD、Solid Edge、UG或CAXA等软件建立起复杂的、立体的具有现场感和真实感的可供学习者全方位观察和自由操作的虚拟现实三维模型库，利用Web技术建立起与之配套的开放性交互式教学网站作为该模型库的载体和教学平台进行网络教学。

2 交互式教学平台设计与制作的关键技术

2.1 平台设计的要求

平台的多媒体课件应面向学生认的知和教材的知识结构，符合教学大纲和教学法，能直观明了的表达概念、原理，能充分体现本课程的特色；为便于学生理解和激发学生的学习兴趣，平台设计要富于人性化，界面要友好，可操作性强，特别是 3D动画和2D动画要能形成时间感、立体感和动态感；平台设计还要注意艺术性，应采用多种表现形式，构图合理，以便于启发学生思维，促使学生集中注意力；设计的平台还应是可供修改、装配的开放系统，应具备数据导入、数据输出等功能。

2.2 平台设计流程

平台设计制作流程如图3所示。

首先确定课题，选择网络互动平台为设计开发的内容；接着教学设计和编写脚本，教学设计基本上参照配套教材的教学单元（章、节），并积极听取专业老师和学生的意见和建议，让他们对计算机提供的各课内容进行选择并确定合适的路径，使教师、学习者的使用感觉不死板，自由；脚本编写是整个教学平台制作的核心技术环节，各种平台设计思想和概念的都必须通过各种脚本体现出来；最后，依据脚本将文本、声音、图形、图像、动画等各种媒体通过编制程序加以组织，最终形成一个完整、系统的教学互动平台。

2.3 工程制图网络教学平台的制作技术

图3 平台设计流程图

1）多媒体数据资源的采集制作。多媒体素材是系统内容的主要部分，将直接展现在使用者眼前，所以这些素材的质量直接关系到CAI课件的总体效果和可交互性。一般系统需要采集的资源主要包括：视频、音频图像等多媒体素材、文本和相关数据。工程制图多媒体教学平台中主要有二维平面投影图、三维造型图、三维动画及声音、音乐和图片等各种多媒体素材形式。二维平面投影图的绘制一般可使用二维绘图软件如AutoCAD等，为了使二维平面投影图的效果更加逼真，还可使用UG或CAXA等软件用三维造型的方法制作部分二维平面投影图。三维模型和三维动画主要使用UG或CAXA等软件。

2）人机交互界面设计。人机交互界面主要为使用者提供“导航，是使用者清楚的知道下一步如何操作，并且这些操作都尽量简便易行。为此，平台应在屏幕上充足的显示相关指示信息，比如对屏幕按钮提供使用说明等；界面应尽量做到一致的模式，并做到简洁、有序、明了，使学生一目了然；在采用视频、音频、图形等直观信息表现教学内容时，一定要保证实现声音、动画、图像的同步进行。

3）导航目录程序设计。导航目录可帮助使用者快速查找各部分的内容，使使用者在繁多的教学内容之间迅速到达需要的目的地。目录也应设计地结构清晰，层次分明。在这一部分中可采用超级链接，使用超文本控制使设计变得简单易行。

4）动画的制作。利用AutoCAD图形的尺寸，在UG或CAXA三维实体软件中建立三维模型，进行材质纹理等方面的贴图处理，使模型尽量与真实模型相似，然后再导出为VRML格式文件，再利用VRML语言编程实现复杂的三维场景的互动。

5）动画控制的程序设计。动画内容在整个平台中占很大部分的比重，因此动画的控制是平台设计的重点。为了获取更好的演示效果和使控制简单易行，需设置播放、暂停、返回、窗口放大缩小等40个功能按钮。

3 应用实例

经课题组成员的共同努力，制作成功的工程制图网络教学互动平台操作界面如图4所示。包含学习辅导、习题解答、教学、实践、智能测试、学习指导、测试和创新等多个教学环节。学生可以通过网络在逼真自然的虚拟模型室中漫游并像真实世界中那样从任意角度任意方位地观察模型，并能实时交互地动态改变三维模型，学习者能够获得很强的参与感和真实感，通过操作能得到比观看传统模型和普通二维、三维图片模型更加直接的观察经验，使学习效果大大增加。在视频库中有名师们的上课录像，也有UG、CAXA、Solid works、AutoCAD等软件的教学课件，学生可任意调出学习。例如，学校机电创新设计协会的50名分别来自电气工程、电子停息、物理、轮机工程的学生，他们通过此教学平台，学会了计算机绘画和尺规绘画，并能应用CAXA软体构建三维实体模型。

图4 网络教学互动平台操作界面

4 结束语

工程制图网络互动学习平台利用多媒体技术将文字、图像、声音等各种素材组织在一起，将静态与动态、平面与立体进行有机结合，使教学内容更加丰富多彩，更加易于理解，使学习者的学习过程不再枯燥乏味，不再进步缓慢，而是生动有趣，学习兴趣和学习效率都大大提高，学习者的空间想象力及阅读、绘制工程图样的能力也能得到很好的锻炼[4]。上述成果应用于钦州学院工程制图精品课程的建设，在建设实践中得到不断的完善和修正。实践证明，经过该平台学习的学生具有较强的读图和计算机绘图能力，如轮机工程071本科班学生，参加工业和信息化产业部组织的AutoCAD应用工程师认证考试，通过率100%。该教学成果2009年参加广西高校第七届教学软件大赛，获得一等奖和最佳技术实现奖。

[1]杨文通,李杨,皇甫平.工程图学与金工实习结合的新全程教育体系研究[J].机械管理开发,2007,4：1-4.

[2]朱辉,曹桄.画法几何及工程制图[M],上海科学技术出版社.

[3]赵宏.现代工程图学CAI教学软件的设计与开发[J].东华大学学报（自然科学版）,2007,33（3）：392-395.

[4]郑芙蓉.现代工程图学多媒体教学系统的设计与开发[J].中南民族大学学报（自然科学版）,2002,21（4）：97- 99.