何永玲，李尚平，陶衛(wèi)平，羅 孟

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

（欽州學(xué)院，欽州 535000）

0 引言

工程技術(shù)人員的繪圖、讀圖能力和相關(guān)的能力素質(zhì)，都是通過工程制圖課程的學(xué)習(xí)得以培養(yǎng)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(dá)設(shè)計思維的學(xué)科研究繪制和閱讀工程圖樣的原理及方法，培養(yǎng)制圖技能和空間想象能力的專業(yè)基礎(chǔ)課程，承擔(dān)了對學(xué)生工程意識、空間思維方式和初步創(chuàng)新能力的啟蒙和培養(yǎng)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(guī)律，內(nèi)容較抽象，如：“截交線”的概念、“旋轉(zhuǎn)剖視圖”等概念，傳統(tǒng)的教學(xué)方式難以表達(dá)清楚，為此各高校都采用計算機(jī)輔助教學(xué)，制作多媒體網(wǎng)絡(luò)課件，以提高教學(xué)效率和質(zhì)量。但大部分CAI（Computing Aided Instruction）課件只注重提高教師的教學(xué)效率，而忽視學(xué)生的互動，對網(wǎng)絡(luò)教學(xué)互動缺乏針對性的研究。本文針對此問題，在分析了教學(xué)互動的基礎(chǔ)上，重點研究了基于網(wǎng)絡(luò)的教學(xué)互動平臺的設(shè)計思想、總體設(shè)計方案和技術(shù)實現(xiàn)的方法和手段，構(gòu)建利用計算機(jī)輔導(dǎo)學(xué)生完成作業(yè)和解答疑難問題的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)互動平臺。利用網(wǎng)絡(luò)這個載體，學(xué)生可以與教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行自然的交互，從而能更形象地獲取知識，激發(fā)思維，提高理解、分析與創(chuàng)造能力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主觀能動性，使工程制圖能在較短的學(xué)時內(nèi)，既強化了學(xué)生的動手能力，又培養(yǎng)了他們構(gòu)型設(shè)計能力。

1 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)互動平臺的結(jié)構(gòu)組成及主要功能

本教學(xué)互動平臺以交互式技術(shù)為基礎(chǔ)，主要功能有課堂教學(xué)、習(xí)題解答、學(xué)習(xí)輔導(dǎo)、智能測試及資源庫等，將講課、測試、輔導(dǎo)和創(chuàng)新教學(xué)等環(huán)節(jié)融于一體，使學(xué)生能夠在計算機(jī)的輔導(dǎo)幫助下完成作業(yè)和解決疑難問題。如圖1所示為教學(xué)互動體系結(jié)構(gòu)圖。

圖1 教學(xué)互動體系結(jié)構(gòu)

1）課堂教學(xué)功能：本平臺運用多媒體技術(shù)，以視頻、音頻、畫面等多媒體技術(shù)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(xiàn)的每個機(jī)器或部件及它們的裝配程序、工作過程、工作原理等進(jìn)行全方位的動態(tài)模擬（如圖2所示），能給學(xué)習(xí)者以身臨其境的感覺，增加了教學(xué)的趣味性，大大激發(fā)了學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣。該系統(tǒng)中的三維動畫及三維模型，全部采用虛擬現(xiàn)實建模語言（VRML）制作，便于網(wǎng)上傳遞，而且可從任意角度觀看模型，人機(jī)交互非常方便。

圖2 滑動軸承的虛擬裝配過程

2）習(xí)題解答功能：為滿足不同基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)者的不同要求，本平臺每一道習(xí)題都包含標(biāo)準(zhǔn)答案、作圖分析、作圖游戲和三維立體模型等。學(xué)生點擊作業(yè)輔導(dǎo)菜單，便出現(xiàn)每一章的作業(yè)，選擇題目即打開習(xí)題解答系統(tǒng)。學(xué)生還可以選擇以作圖游戲的方式完成作業(yè)，中間的過程依靠計算機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)作圖過程相比較作出判斷，給出相應(yīng)的分?jǐn)?shù)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(xué)習(xí)者建立從三維到平面，又從平面到三維的轉(zhuǎn)換能力。本光盤還含有習(xí)題集的AutoCAD文件，可以直接在AutoCAD中打開該文件進(jìn)行練習(xí)，將尺規(guī)繪圖與計算機(jī)繪圖有機(jī)地結(jié)合在一起。

智能測試是對學(xué)習(xí)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(biāo)準(zhǔn)答案，主要是圖形數(shù)據(jù)庫中的基本數(shù)據(jù)和圖形屬性。

2）學(xué)生進(jìn)行測驗解答時，系統(tǒng)將自動記錄測驗答案，包括繪圖區(qū)域內(nèi)學(xué)生所作圖形的基本數(shù)據(jù)和屬性。

3）輔助信息，包括測試的評分取權(quán)規(guī)則、視圖投影的優(yōu)先級順序、圖形結(jié)構(gòu)要素的重要性等信息。學(xué)習(xí)者完成測試后，系統(tǒng)會自動評分，并提出學(xué)習(xí)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(jié) 合AutoCAD、Solid Edge、UG或CAXA等軟件建立起復(fù)雜的、立體的具有現(xiàn)場感和真實感的可供學(xué)習(xí)者全方位觀察和自由操作的虛擬現(xiàn)實三維模型庫，利用Web技術(shù)建立起與之配套的開放性交互式教學(xué)網(wǎng)站作為該模型庫的載體和教學(xué)平臺進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)教學(xué)。

2 交互式教學(xué)平臺設(shè)計與制作的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 平臺設(shè)計的要求

平臺的多媒體課件應(yīng)面向?qū)W生認(rèn)的知和教材的知識結(jié)構(gòu)，符合教學(xué)大綱和教學(xué)法，能直觀明了的表達(dá)概念、原理，能充分體現(xiàn)本課程的特色；為便于學(xué)生理解和激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，平臺設(shè)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(tài)感；平臺設(shè)計還要注意藝術(shù)性，應(yīng)采用多種表現(xiàn)形式，構(gòu)圖合理，以便于啟發(fā)學(xué)生思維，促使學(xué)生集中注意力；設(shè)計的平臺還應(yīng)是可供修改、裝配的開放系統(tǒng)，應(yīng)具備數(shù)據(jù)導(dǎo)入、數(shù)據(jù)輸出等功能。

2.2 平臺設(shè)計流程

平臺設(shè)計制作流程如圖3所示。

首先確定課題，選擇網(wǎng)絡(luò)互動平臺為設(shè)計開發(fā)的內(nèi)容；接著教學(xué)設(shè)計和編寫腳本，教學(xué)設(shè)計基本上參照配套教材的教學(xué)單元（章、節(jié)），并積極聽取專業(yè)老師和學(xué)生的意見和建議，讓他們對計算機(jī)提供的各課內(nèi)容進(jìn)行選擇并確定合適的路徑，使教師、學(xué)習(xí)者的使用感覺不死板，自由；腳本編寫是整個教學(xué)平臺制作的核心技術(shù)環(huán)節(jié)，各種平臺設(shè)計思想和概念的都必須通過各種腳本體現(xiàn)出來；最后，依據(jù)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(tǒng)的教學(xué)互動平臺。

2.3 工程制圖網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺的制作技術(shù)

圖3 平臺設(shè)計流程圖

1）多媒體數(shù)據(jù)資源的采集制作。多媒體素材是系統(tǒng)內(nèi)容的主要部分，將直接展現(xiàn)在使用者眼前，所以這些素材的質(zhì)量直接關(guān)系到CAI課件的總體效果和可交互性。一般系統(tǒng)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(guān)數(shù)據(jù)。工程制圖多媒體教學(xué)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(jī)交互界面設(shè)計。人機(jī)交互界面主要為使用者提供“導(dǎo)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(yīng)在屏幕上充足的顯示相關(guān)指示信息，比如對屏幕按鈕提供使用說明等；界面應(yīng)盡量做到一致的模式，并做到簡潔、有序、明了，使學(xué)生一目了然；在采用視頻、音頻、圖形等直觀信息表現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容時，一定要保證實現(xiàn)聲音、動畫、圖像的同步進(jìn)行。

3）導(dǎo)航目錄程序設(shè)計。導(dǎo)航目錄可幫助使用者快速查找各部分的內(nèi)容，使使用者在繁多的教學(xué)內(nèi)容之間迅速到達(dá)需要的目的地。目錄也應(yīng)設(shè)計地結(jié)構(gòu)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(shè)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(jìn)行材質(zhì)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(dǎo)出為VRML格式文件，再利用VRML語言編程實現(xiàn)復(fù)雜的三維場景的互動。

5）動畫控制的程序設(shè)計。動畫內(nèi)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(shè)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(shè)置播放、暫停、返回、窗口放大縮小等40個功能按鈕。

3 應(yīng)用實例

經(jīng)課題組成員的共同努力，制作成功的工程制圖網(wǎng)絡(luò)教學(xué)互動平臺操作界面如圖4所示。包含學(xué)習(xí)輔導(dǎo)、習(xí)題解答、教學(xué)、實踐、智能測試、學(xué)習(xí)指導(dǎo)、測試和創(chuàng)新等多個教學(xué)環(huán)節(jié)。學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)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(tài)改變?nèi)S模型，學(xué)習(xí)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(tǒng)模型和普通二維、三維圖片模型更加直接的觀察經(jīng)驗，使學(xué)習(xí)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(xué)課件，學(xué)生可任意調(diào)出學(xué)習(xí)。例如，學(xué)校機(jī)電創(chuàng)新設(shè)計協(xié)會的50名分別來自電氣工程、電子停息、物理、輪機(jī)工程的學(xué)生，他們通過此教學(xué)平臺，學(xué)會了計算機(jī)繪畫和尺規(guī)繪畫，并能應(yīng)用CAXA軟體構(gòu)建三維實體模型。

圖4 網(wǎng)絡(luò)教學(xué)互動平臺操作界面

4 結(jié)束語

工程制圖網(wǎng)絡(luò)互動學(xué)習(xí)平臺利用多媒體技術(shù)將文字、圖像、聲音等各種素材組織在一起，將靜態(tài)與動態(tài)、平面與立體進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，使教學(xué)內(nèi)容更加豐富多彩，更加易于理解，使學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過程不再枯燥乏味，不再進(jìn)步緩慢，而是生動有趣，學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率都大大提高，學(xué)習(xí)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(yīng)用于欽州學(xué)院工程制圖精品課程的建設(shè)，在建設(shè)實踐中得到不斷的完善和修正。實踐證明，經(jīng)過該平臺學(xué)習(xí)的學(xué)生具有較強的讀圖和計算機(jī)繪圖能力，如輪機(jī)工程071本科班學(xué)生，參加工業(yè)和信息化產(chǎn)業(yè)部組織的AutoCAD應(yīng)用工程師認(rèn)證考試，通過率100%。該教學(xué)成果2009年參加廣西高校第七屆教學(xué)軟件大賽，獲得一等獎和最佳技術(shù)實現(xiàn)獎。

[1]楊文通,李楊,皇甫平.工程圖學(xué)與金工實習(xí)結(jié)合的新全程教育體系研究[J].機(jī)械管理開發(fā),2007,4：1-4.

[2]朱輝,曹桄.畫法幾何及工程制圖[M],上海科學(xué)技術(shù)出版社.

[3]趙宏.現(xiàn)代工程圖學(xué)CAI教學(xué)軟件的設(shè)計與開發(fā)[J].東華大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,2007,33（3）：392-395.

[4]鄭芙蓉.現(xiàn)代工程圖學(xué)多媒體教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)[J].中南民族大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）,2002,21（4）：97- 99.