CAD/CAM/CAE軟件教學立體詞典系統的開發

【摘要】隨著計算機圖形技術的進步，CAD/CAM/CAE軟件課程在各院校越來越普及。針對其教學的特點和傳統教學資源存在的問題，提出了基于“立體詞典”的CAD/CAM/CAE軟件通用教學資源制作方案。以視頻演示為核心，圍繞單個軟件功能為基本單位來制作教學資源，并以詞典的方式將這些單元組織起來。教師可方便地利用詞典中的基本教學單元，采用“搭積木”的方式快速、靈活地組合出各種個性化的教學“套餐”。以UG教學為例，開發了相應的軟件系統，大大提高了教師教學和學生學習的效率。

【關鍵詞】立體詞典;CAD/CAM/CAE;教學資源

【中圖分類號】G40-057【文獻標識碼】B【論文編號】1009—8097(2010)09—0095—04

引言

計算機輔助設計(CAD)作為一項在工業界得到廣泛應用的信息技術，它推動了幾乎一切領域的設計革命，是實現數字化設計的必不可少的手段[1]。三維CAD系統具有可視化好、形象直觀、設計效率高、能方便地與CAE系統相連進行仿真分析和提供數控加工信息等優勢，取代傳統二維CAD系統已成為必然趨勢[2]。

CAD/CAM/CAE軟件的教學特點有別于傳統的教學科目，它是工程類專業的通用、必修課程，教學強度高、課時長、更新快。教學資源制作要求高、工作量大、生命周期短，教師每年需要花大量時間制作和更新教學資源。隨著CAD/CAM/CAE軟件課程在各院校的普及，針對其教學方面的研究越來越得到關注[3-5]。

目前，CAD/CAM/CAE軟件的傳統教學資源存在以下幾方面的問題:(1)結構不完整，配置不合理:現有的教學資源仍以各種教材為主，僅在隨書光盤中附以少量的、簡單的視頻演示及練習素材，基本上沒有演示文檔和試題庫、教學大綱等教學參考資料，因此還遠遠稱不上完整的教學資源。(2)靈活性、通用性較差:現有的教學資源，無論是教材還是視頻課件，都比較“固化”，難以靈活調整以滿足不同層次、不同深度、不同學時的教學需要，更無法承擔學生課后練習的輔導功能，因而不適于作為通用教學資源。(3)內容更新慢，更新成本高:現有的教學資源更新升級速度很慢，難以跟上軟件更新的節奏。即使是一些軟件生產廠商發行的“官方”教材，也往往不能得到及時的更新，而視頻資源更新的速度就更慢了。

針對上述問題，結合CAD/CAM/CAE軟件教學的特點，提出了基于“立體詞典”的CAD/CAM/CAE軟件通用教學資源制作方案。并以UG教學為例，開發了相應的軟件系統，徹底解決了傳統教學資源所存在的問題，不但減輕了教師負擔，而且提高了教學效率和效果。

一 基于“立體詞典”的CAD/CAM/CAE通用教學資源制作方案

1 立體詞典的概念

“立體詞典”是本方案提出的一種新型教學資源，是通用教學體系的核心，它包括兩方面含義:

(1)所謂“立體”是指，其集視頻、靜態圖文頁面、教學演示文檔、操作練習素材于一體，通過視聽的方式進行教授，與傳統的教材相比，具有“立體”的特點。

(2)所謂“詞典”是指，其以軟件功能單元或實例為基本單位來制作教學演示視頻、PPT文檔、練習素材，形成一個個獨立的基本教學單元，如圖1所示，這相當于詞典中單個詞匯的注釋，并將所有基本教學單元按其對應的功能名稱，以詞典的方式進行組織、管理和使用。

2 基于“立體詞典”的通用教學資源的優勢

(1)以視頻演示為核心，結構合理，效果明顯

以視頻形式為主，其它形式為輔的教學資源結構，充分體現了CAD/CAM/CAE軟件的教學規律。在規模較大的教學培訓中，可起到重要的輔助作用，有效增強培訓效果。

(2)易于制作和維護，更新成本極低，品質更可靠

由于教學資源是圍繞單個功能來組織的，由一個個相互獨立的基本教學單元所組成，因此非常適合采用多人并行制作的方式，效率高、成本低、品質可靠。特別是，當軟件版本升級時，只需要更新相應的基本教學單元即可，簡單易行，成本低廉。

(3)面向二次開發的開放性資源，靈活多變

作為教學資源的基本核心，立體詞典的結構是完全開放的和模板化的。教師可方便地利用詞典中的基本教學單元，采用“搭積木”的方式組合構造各種個性化的教學“套餐”，以適應不同層次、不同深度和不同學時的教學需要。

(4)應用范圍廣，通用性好

如前所述，以立體詞典為核心的教學資源，不僅可直接用于教學，還可用于個性化教學資源的二次開發。同時，也適合于自學、遠程教育、培訓等多種教育形式。

二 系統的設計與實現

CAD/CAM/CAE軟件教學立體詞典主要由學習軟件、試題系統和教學資源三個模塊組成，其總體結構如圖2所示。

1 學習軟件

學習軟件從總體上可以分為學習功能和管理功能兩個子模塊，其結構簡圖如圖3示。

(1)學習功能

學習功能以目錄樹的方式有序地列出了學習軟件所包含的所有基本教學單元，可以對基本教學單元進行查詢，對相關文檔瀏覽查看，對相關視頻進行點播觀看。習題資源提供了將各個教學單元的相關練習下載到指定練習文件夾的功能，便于學生進行操作練習。課件資源只對教師用戶開放，教師可以下載課件資源，若有需要，還可以對課件內容進行修改和整合，以滿足課堂教學的實際需求。試題資源提供了通往試題系統的接口。

(2)管理功能

系統配置可以指定教學資源目錄、默認軟件、默認顯示方式、練習放置文件夾、練習文件擴展名和視頻文件擴展名。通過課時設置，可以利用詞典中的基本教學單元，組合出個性化的教學課時安排，以滿足不同層次、不同深度和不同學時的教學需要。

2 試題系統

結合CAD/CAM/CAE軟件教學的課程考核要求，基于Internet，開發了適合于教師出題及學生測試的試題系統。其結構簡圖如圖4所示。

(1)試題管理

試題庫的建立:建立試題庫時，首先需要設置課程信息建立與課程一一對應的試題庫，并輸入每門課程的章節內容。知識點根據課程教學大綱的要求進行設置，將試題與知識點相結合，以便于根據試題的得分率了解學生對知識點的掌握情況。除此之外，還可設置各門課程所支持的試題類型，如單選題、多選題、填空題、判斷題、操作題等。最后，設置試題的難度等級，比如可以分為簡單、一般、較難、很難四個級別。

試題的維護:用戶可以添加試題并設置相關的參數，如所屬科目、所屬章節、知識點、題型、難度等，并且可以根據一定的條件瀏覽試題庫中的試題。具有修改權限的用戶可以對試題的內容或某些屬性進行修改。

(2)自動組卷

輸入試卷的一些基本參數，例如考試科目、試卷難度、試卷名稱、考試時間、題型、題量、知識點比例等，利用合適的算法，自動地生成試卷。若用戶對生成的試卷不滿意，可以對自動生成的試卷進行手動調整，然后可以導出電子試卷供傳統的筆試之用。

(3)在線測試

具有考試管理權限的教師用戶，可以進行考試前的安排，如初始化考場信息表，確定考試地點、日期和時間，為每位考生的計算機分配IP地址等。考前準備完成后，考生進入考試登錄界面，進行在線答題，考生必須在規定的時間內交卷，系統在答題界面上顯示剩余時間。考生交卷后，系統對客觀題自動評分，主觀題提交給教師判分。自動評分子模塊還具有統計分析的功能。可以統計全班成績分布情況、計算各分數段的學生人數、分析各個知識點的得分率。

3 教學資源

教學資源是構成立體詞典的基礎，CAD/CAM/CAE軟件教學立體的教學資源種類繁多、形式多樣。按照資源形式分為教材、視頻演示文件、PPT演示文稿、練習素材、試題庫、教學計劃6種類型;按照資源內容分為功能、綜合練習、工程案例3種類型。

(1)按資源形式分類

教材資源可以分為印刷版和電子版。通過印刷版教材，教師和學生可以了解立體詞典包含了哪些軟件功能及各個功能的作用，主要起索引的作用。電子版教材、視頻演示文件、PPT演示文稿、練習素材這4種形式的教學資源，是圍繞單個軟件功能來組織的，通過學習軟件可以將它們有機地組合起來，充分發揮各自的教學作用。

試題庫和習題集不同，它不是試題的簡單集合，而是經過特殊處理的具有較大信息量的試題的有機組合，并且可以對其進行科學、有效、經濟、靈活的管理。試題系統不僅可以管理試題庫，還可以利用這些試題自動生成考卷。立體詞典的教學計劃可以供教師直接使用，也可以其為參考，制作個性化的教學計劃。

(2)按資源內容分類

從資源內容的角度來看，功能是教學資源的最小單位。綜合練習則是通過若干功能命令，完成預期的操作結果。工程案例則是充分利用軟件的功能命令，完成實際產品的設計或造型。在教學過程中，應采用循序漸進的方式，要求學生牢牢掌握單個功能的基本知識和操作方法。在此基礎上，可以做一定量的綜合練習，最后可以進行工程案例的練習。

由于CAD/CAM/CAE軟件的教學資源數量巨大，更新快，可擴充性強。為便于教學資源的管理和維護，將資源庫分為兩種基本的單元，即公共資源庫和個人資源庫，如圖5所示。公共資源庫中的資源只有管理員才有添加、修改、刪除的權限。同樣地，個人資源庫中的資源只有其所有者才有查看、添加、修改、刪除的權限。但是，用戶可以查看并下載公共資源庫的資源到其個人資源庫，成為其個人資源庫的一部分，此時，用戶對這部分資源就具有了所有的管理權限。為了使資源共享并得到充分的利用，用戶可以向管理員提出將其資源添加到公共資源庫的申請。管理員審核后，可以將符合制作要求和規范的資源添加到公共資源庫，這樣就保證了教學資源的規范性和可擴展性。

三 應用實例

以SQL Server為數據庫，采用Java、VC++等語言，實現了CAD/CAM/CAE軟件教學立體詞典的系統開發。

圖6為基于“立體詞典”的CAD/CAM/CAE軟件通用教學資源系統的主界面。左邊的視圖中列出了UG的綜合實例和軟件功能，可以在上面的搜索中進行特定內容的檢索。

當雙擊樹形視圖UG軟件功能中的某一基本功能單位時，右邊視圖即顯示所對應的教材文檔，如圖7所示。此時，當點擊上面的查看視頻按鈕時，即可打開該功能單位所對應的教學視頻資源。同樣可以點擊復制練習文件按鈕，將所對應的練習文件資源復制到系統默認的文件夾，學生可以再用相應的三維軟件打開進行練習。當點擊打開PPT文檔按鈕時，可將所對應的PPT文檔打開。同時，可以對系統的默認配置進行修改，教師也可根據教學的要求，進行學時配置，按照學時來組織左邊的列表，這些列表可以保存在文件中，發放給學生用于自學使用，或者用來規劃教師的教學過程。

點擊進入考試系統按鈕，輸入用戶名和密碼，可以進入在線考試系統。在試題管理平臺中，如圖8所示，可以配置試題，對試卷的分數進行設置，從而自動生成試卷，實現一人一卷。

四 結束語

綜上所述，針對CAD/CAM/CAE軟件教學的特點，所提出的基于“立體詞典”的CAD/CAM/CAE軟件通用教學資源制作方案徹底解決了傳統教學資源存在的問題。以UG教學為例，開發的相應軟件系統的實踐表明，系統內容充實、體系完整、靈活組合、自由擴充，是一個全新的CAD/CAM/CAE軟件教學通用資源庫。任意組合成的各種教學套餐可充分滿足個性化的教學需求，從而大大提升教學效率和效果，讓老師從繁重的重復勞動中解放出來!

參考文獻

[1] 彭維. 三維CAD軟件系統的若干問題研究[D]. 浙江:浙江大學，2004.

[2] 葉紅，韓俊平. 淺談CAD三維軟件與機械設計[J]. 化學工程與裝備，2009，(3):97-99.

[3] 梁松堅，朱小明，張建強等. 三維軟件教學要點探討[J].裝備制造技術，2010，(2):195-197.

[4] 江洪，吉維峰. 運用三維繪圖軟件SolidWorks改革工程圖學教學的實踐[J]. 工程圖學學報，2004，25(1):109-113.

[5] 馬金平，張益華. 基于三維CAD軟件的制圖教學改革[J]. 機械制造與自動化，2007，36(6):106-107.