機械制圖在線綜合系統設計與實現

張淑娟，趙華民，武志明，趙聰慧，陳振宇

(山西農業大學工學院，山西太谷030801)

機械制圖是工科專業的一門重要的專業技術基礎課。教學目標主要是培養學生的看圖和畫圖能力。因此，在教學過程中，經常需要進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，以培養學生的空間想象能力和三維形體的二維表達能力，這是機械制圖課程教學的難點及重點［1］。在傳統教學中，學生的空間思維能力與想象能力的培養主要依靠老師結合掛圖、模型講解如何將三維實體模型轉化為二維圖形，二維圖形如何反映三維實體等。隨著學生數量的增多，傳統的教學方法顯得力不從心，老師講的費時費力，學生聽得枯燥無味，很難達到良好的教學效果。隨著計算機多媒體技術的發展，教師在上課時利用多媒體課件講解有關內容，達到了提高課堂信息量，形象、直觀、清楚地將教學內容展現給學生的教學效果。隨著網絡技術的發展，學生宿舍大多已聯網，為在線學習系統開發打下了良好的硬件基礎。

已有學者對制圖課程的網絡學習方法進行了研究，開發了一些學習系統。2006年，葉琳等開發了基于網絡的工程制圖讀圖系統，使用了多種技術手段，并將具有可交互的、適時顯示的虛擬模型引入其中［2］;2008年，杜冬梅等開發了網絡化工程制圖輔助教學系統［3］。2010年，陳坤等針對當前工程制圖授課學時減少，課后輔導缺乏，采用ASP技術和Access數據庫設計開發了基于WEB的工程制圖習題庫系統［4］。以上各種學習系統，在制圖課的教學過程中發揮了重要的作用，但其趣味性、直觀性和創新性還有待進一步加強。

本系統的設計力求加強機械制圖課程的趣味性和直觀性，創新在線學習方法，改善學習條件，提高學生學習的積極性和主動性，進而提高老師的教學質量和學生的學習效果。

一、系統關鍵技術和總體分析

(一)系統使用的關鍵技術

目前，在線學習系統主要有兩類:C/S模式，B/S模式。前者主要的缺點是維護、升級較麻煩，后者是使用客戶端/服務器方式模式，客戶端是一個標準的瀏覽器，服務器端是Web Server，其主要優點是便于擴展應用、易于升級維護，所以本系統選用B/S模式。

系統主要采用ASP平臺，用 Vbscript語言、SQL數據庫作為技術支撐，采用 dreamweaver、photoshop、flash、Pro/E，AutoCAD 等工具和軟件處理系統開發過程的素材和進行系統集成。整體設計遵循軟件工程的方法，包括需求分析、總體設計、文檔和代碼的編制、模塊測試和系統實現幾個階段。

(二)網站系統分析

按照系統開發的基本方法對系統進行分解，內容包括在線學習子系統、在線練習子系統、在線考試子系統3個模塊。

1．在線學習子系統。本模塊包含了機械制圖教學大綱所有內容，并且可以在線以“翻書式”來閱覽和學習。也包含了一個內容豐富動態模型實例視頻庫，以3D墻的形式展示出機械結構的靜態圖片和三維模型。

2．在線練習子系統。在線練習系統的主要功能是當學生學習完以后，可以及時鞏固練習，靠已掌握的知識來判斷和回答系統提出的問題，其中使用了各種flash技術，寓教于樂，讓學生不會感覺到枯燥無味，增加學習興趣。

3．在線考試子系統。本模塊要實現的功能主要是用戶的在線考試。包括用戶注冊登錄、試題模型設置、試卷生成，成績查閱。另外，還要實現對用戶信息的管理、試題庫管理、計算機自動閱卷，成績管理等功能。在線考試系統還應該具有友好、簡潔的界面，高的安全性，強的穩定性，能夠滿足100人以上同時進行在線考試的要求。

二、在線學習綜合系統設計與實現

(一)主頁及數據庫設計

在線學習綜合系統的網站主頁采用iframe嵌入式框架表達方式，達到不變主頁就可以使用綜合系統的全部功能。主頁內容按總體功能分為學習子系統、練習子系統和考試子系統3個部分(如圖1所示)。學習子系統包括課程介紹、課程學習;練習子系統包括正投影法、截切相貫體、組合體、軸測圖、圖樣畫法、標準件與常用件、零件圖、裝配圖;考試子系統包括在線考試、系統管理和成績查詢。

圖1 機械制圖在線學習綜合系統主頁

考慮到本網站數據的特點，采用 Microsoft Access數據庫［5］，在考試系統中建立一個名為test_admin．mdb的數據庫。其中記錄管理員賬號和密碼、統計學生考試成績、記錄學生信息、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)學習子系統的設計與實現

1．設計思路。課程學習子系統采用frame框架，分為左右部分。點擊左邊的鏈接實現右邊框架內容的更換。右框架采用flash技術［6］，以“翻書式”方式生動展示書本知識、學習課件等，其操作風格類似學生看書的過程，大大增加了學習的生動性和趣味性，如圖2所示。

圖2 學習子系統“翻書式”操作界面

2．課程學習子系統內容。本子系統內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特效技術展示了機械設計中常用部件的裝拆動畫和三維模型動畫，以及對應的二維圖形。以3D炫彩和輪轉方式展示模型視頻動畫中的截圖，鼠標放置相應的圖標上則顯示該視頻的主題以及相關信息，單擊則彈出窗口播放相應的動畫視頻。如圖3所示是點擊視頻庫中“減速器截圖”后播放減速器結構動畫。

圖3 點擊視頻庫3D墻上的減速器截圖后播放對應實例

(三)練習子系統的設計與實現

為了方便學生練習機械制圖習題，課程團隊教師根據自己多年的教學經驗，總結了典型習題，以動畫特效的形式在本系統中供學生練習，提高學生學習興趣。練習系統中將這些習題，通過集中分類處理，再根據習題的難易程度，共劃分成8個章節:正投影法、截切相貫體、組合體、軸測圖、圖樣畫法、標準件與常用件、零件圖、裝配圖。學生可根據自己的需要和要求，點擊適合自己的章節，完成習題練習。

練習子系統中題型共分21種，根據每種題型的特點都采取了不同的技術手段和展示形式，充分體現了其多樣性、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、在圖形找錯并點擊標記，文本框提交，鼠標在圖上直接繪制線、圓，橢圓等，實現與學生的互動。操作正確時還會彈出笑臉，加油等各種趣味圖片和文字對學生進行提示和鼓勵。

例如題型七，把傳統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。拖移正確則系統提示“恭喜!”，拖移錯誤則系統提示“再考慮考慮”。這種操作具有很強的趣味性，學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技術實現在線畫圖功能，在頁面上可以選擇使用直線、畫筆、橡皮等工具進行鼠標畫圖。直線、畫筆可調粗細。作圖錯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。圖中的標尺按照工程單位設計，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。完成題目后的結果見圖6。

(四)考試子系統的設計與實現

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

為了保證系統運行的效率和可靠性，系統服務器端應具有較高的軟硬件配置以便同時容納多名同學在線考試，客戶端則是IE瀏覽器。系統結構圖包含如下幾部分，如圖7所示。

圖7 在線考試子系統結構

考試前教師將試題全部錄入試題庫。本系統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，目前還無法完全實現系統無誤判卷，所以暫時沒有上線。

考試時，考生進行身份驗證登錄系統以后，系統會自動進入到主界面，顯示該學生的相關信息及近期的考試信息，學生可以點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數;學生可以進入試題練習系統，此系統的題目也是從試題庫中隨機抽取，但是不記錄分數，使學生熟悉考試環境。登陸后的考試系統主界面如圖8所示。

圖8 登陸后的考試系統主界面

一旦進入在線考試，系統將自動調取試題庫的試題并隨機抽取和分配，每個人的試卷都不同。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。考試結束采取自主交卷的方式辦法予以實現。系統會在考試時間結束前1分鐘提示考生交卷并且在考試時間完成以后自動為考生交卷。考生提交試卷后即可看到自己的考試成績，其分數將被記入庫中以供審核和查閱。教師可以查看學生的姓名、考試是否及格、是否需要補考。

三、結論

本文討論了機械制圖課程在線學習綜合系統的設計與實現。介紹了在線系統的一些功能實現過程和設計思路。本系統的內容已經在山西農業大學的機械制圖與計算機繪圖國家級共享課程網站上使用，并獲得了學生的普遍好評。但是系統本身也還有很多不足，需要繼續完善和擴充。比如可以將更多的知識、更多的考試方式納入進來，以適應多層次的考試。隨著該系統的不斷完善，將會為本門課程實現考試的無紙化，為學生能更輕松愉快地學好本門課程提供有效的服務。

［1］ 周靜卿，張淑娟，趙鳳芹．機械制圖與計算機繪圖［M］．北京:中國農業大學出版社，2009．

［2］ 葉琳，邱龍輝，張惠英，等．基于網絡的工程制圖讀圖系統的研究與實現［J］．實驗技術與管理．2006，23(4):74-76．

［3］ 杜冬梅，李紅，張志，等．網絡化工程制圖輔助教學系統研究［J］．中國電力教育，2008，118(8):96-97．

［4］ 陳坤，陳志偉．基于WEB技術的工程制圖習題庫系統的設計［J］．西南師范大學學報(自然科學版)．2010，35(5):178-181．

［5］ 薩師煊，王珊．數據庫系統概論［M］．北京:高等教育出版社，2000．

［6］ 金衛臣．中文版Dreamweaver+Flash+Photoshop網頁制作三合一教程［M］．北京:清華大學出版社，2003．