基于電子批閱系統(tǒng)的機械制圖課程教學改革與模擬實踐

摘 要 機械制圖課程在互聯(lián)網(wǎng)高速發(fā)展的時代面臨著雙重挑戰(zhàn)：其一是學生和教師在網(wǎng)上交流作業(yè)困難的問題日益凸顯；其二是制圖軟件的多樣性導致模型文件格式、版本不統(tǒng)一，給機械制圖的教學帶來了諸多不便。針對上述問題，文章提出一種基于電子批閱系統(tǒng)的課程改革方案，通過Inventor插件設計與編程完成電子批閱系統(tǒng)模型并對其進行模擬實踐評估。

關鍵詞 機械制圖；電子批閱系統(tǒng)；格式轉換

中圖分類號：G424 " " " " " " " " " " " " " " 文獻標識碼：A " " DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2025.03.001

Teaching Reform and Simulation Practice of Mechanical Drawing Course

Based on Electronic Marking System

CHEN Ping， HU Yu， HUANG Mingji， WANG Ning

（School of Mechanical Engineering， University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083）

Abstract After the rapid development of the Internet， the mechanical drawing course faces two challenges. One is that communication difficulties between students and teachers are becoming increasingly prominent. The second is the inconsistency of model file formats and versions due to the diversity of drawing software. These challenges create significant inconvenience in teaching mechanical drawing. To address these problems， this paper proposes a curriculum reform scheme based on an electronic marking system， designed and programmed with the Inventor plug-in to complete the electronic marking system and evaluate it in simulated practice.

Keywords mechanical drawing; electronic marking system; format conversion

在機械類專業(yè)的教育體系中，機械制圖課程占據(jù)著不可或缺的核心地位，它不僅構筑了機械類專業(yè)學生深入專業(yè)領域的知識基礎，還是學生進行后續(xù)機械專業(yè)課程學習及專業(yè)實習活動的堅實橋梁。隨著計算機技術和互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，計算機繪圖軟件在企業(yè)工廠中逐漸取代了傳統(tǒng)的手繪圖紙。為了使學生適應這一發(fā)展趨勢，機械制圖課程已將計算機輔助設計（CAD）繪圖軟件的實踐教學納入其教學大綱。眾多學者致力于建立和完善機械制圖課程的教學體系，加深學生對CAD知識的學習，進而為國家培養(yǎng)一批能夠將機械自動化與計算機技術相結合的杰出人才[1-3]。

然而，在機械制圖課程與計算機技術深度融合的背景下，CAD制圖作業(yè)的管理方式卻呈現(xiàn)出相對滯后的狀態(tài)，其成熟度尚不足以充分滿足當前教學形式快速發(fā)展的實際需求[4]。隨著教學模式的不斷創(chuàng)新與教學手段的日益多樣化，CAD制圖作業(yè)的管理面臨著諸多挑戰(zhàn)，如作業(yè)提交方式的便捷性、作業(yè)批改效率的提升，以及作業(yè)反饋機制的優(yōu)化等方面，均存在進一步完善的空間。同時，隨著網(wǎng)絡軟件安裝教程的頻繁更迭，學生個人電腦所安裝的CAD繪圖軟件普遍趨于最新，與之相對，教師群體受長期習慣或工作環(huán)境限制，其使用的軟件版本明顯滯后，這一差異直接導致師生間因制圖軟件版本不一致因而格式不兼容，成為教學中的一項難題。針對該問題，本文提出一種基于電子批閱系統(tǒng)的機械制圖課程改革方案，旨在通過構建適配當前教育生態(tài)的電子批閱系統(tǒng)模型以提升教學效率與質量。

1" 核心技術

本研究設計的電子批閱系統(tǒng)分成兩個核心模塊：格式統(tǒng)一模塊和模型批注模塊。格式統(tǒng)一模塊作為電子批閱系統(tǒng)最重要的部分，其主要功能是將學生提交的作業(yè)進行格式統(tǒng)一，同時可以更加系統(tǒng)性地將學生作業(yè)歸檔，方便教師查找。模型批注模塊則為教師批注工作提供場景，并且支持將批注信息直接添加到模型文件內，以便學生接收。

1.1" 格式統(tǒng)一模塊

在三維建模與可視化領域，存在著多樣化的數(shù)據(jù)格式，如OBJ、GLTF及FBX等，每種格式均擁有其獨特的應用場景與優(yōu)勢。其中，F(xiàn)BX文件能夠承載并存儲大量的模型信息，確保模型細節(jié)的完整性與精確性，并支持對轉換后的模型進行信息的讀取和寫入操作；當FBX文件不包含復雜的模型動畫數(shù)據(jù)時，其大小保持在合理且適中的范圍內，這一特性顯著增強了文件在各類系統(tǒng)及互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的傳輸效率與便捷性[5]。因此，本文選擇FBX格式作為統(tǒng)一后的格式，旨在確保電子批閱系統(tǒng)在不丟失建模信息的前提下實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸。

選取三維繪圖軟件Inventor的格式轉換功能作為本研究的案例，通過應用Inventor" API，編寫了適用于學生操作的Inventor插件，并將其作為Inventor文件的格式轉換器，其轉換處理流程如圖1所示。其中最為核心的部分為“捕捉模型三維數(shù)據(jù)”。Inventor采用的是以多邊形面為單位元的建模方法，而FBX文件則僅以三角形作為單位元。因此，關鍵挑戰(zhàn)在于如何從Inventor文件中提取多邊形面單位元信息，并將其轉換為FBX格式所需的三角形單位元數(shù)據(jù)。生成FBX文件的工具包需要包含三角形的頂點、法線和索引等詳細信息，以及模型表面三角形的數(shù)量。在Inventor" API中，提供了獲取模型多邊形面單位元數(shù)量及其詳細信息的函數(shù)，通過這些函數(shù)，可以重新排列該單位元的頂點和法線，從而得到模型的三角形單位元數(shù)量及其詳細信息。通過復雜的算法與數(shù)據(jù)處理邏輯，插件能夠精準地從學生提交的Inventor文件中捕捉所有必要的幾何、材質、紋理及可能的其他元數(shù)據(jù)，為后續(xù)生成高質量FBX文件奠定基礎。在數(shù)據(jù)提取與處理完成后，插件將這些信息導入專門設計的FBX生成器。該模塊利用先進的轉換算法與優(yōu)化技術，確保生成的FBX文件包含了所有必要的模型信息，進而保證數(shù)據(jù)的一致性與準確性。

選取課程中測繪用的齒輪油泵模型作為格式轉換器轉換對象以觀察轉換功能的實現(xiàn)，整體運行效果如圖2所示。圖2a和2c為Inventor三維模型，圖2b和2d分別為使用官方的FBX閱讀器查看生成的FBX模型。可以看出，圖2a中泵蓋零件模型的拉伸、沉頭孔、圓角等特征清晰地展示在圖2b中；圖2c中齒輪油泵裝配體的傳動軸、螺母、泵體等零部件也成功轉換，并且每一個零件的位置關系都能與圖2d一一對應。由此可以表明，格式轉換器不僅能夠有效處理單個零件的轉換，還能確保裝配體整體結構的完整性與準確性。

1.2" 模型批注模塊

本研究所設計的模型批注模塊包括多媒體批注和三維模型展示兩個子模塊。使用HTML編程編譯至網(wǎng)頁上，生成包含文件閱覽模塊和批注模塊的三維模型網(wǎng)頁閱讀器。

圖3（p3）所示為模型批注系統(tǒng)展示界面。其中操作界面位于網(wǎng)絡閱讀器頂端（圖3a），該界面集成了多元化的功能以優(yōu)化教師體驗。界面內置了文字批注工具，便于用戶直接在模型上添加說明或建議；測量功能允許精確量取模型尺寸，滿足專業(yè)分析的需求；同時，用戶能通過放大與縮小功能靈活調整模型視圖，以適應不同的觀察與分析場景。此外，系統(tǒng)還提供了固定視角選項，使用戶能夠從預設角度審視模型，確保觀察的連貫性與準確性。

操作界面左側的目錄樹組件，可直觀展示模型的層級結構，包括裝配體的整體名稱及其構成的所有零件名稱。用戶通過點擊目錄樹中的相應條目，能夠迅速定位并聚焦于某一特定零件，實現(xiàn)獨立查看與分析，極大提升了操作的便捷性與效率。

中央展示的交互界面為該模塊的核心區(qū)域，展現(xiàn)FBX文件三維模型圖紙，并集成了鼠標交互功能。用戶通過拖拽與旋轉，輕松調整視角，實現(xiàn)模型細節(jié)的全景審視。此外，該界面還融合了批注功能（圖3b），用戶能直接以鼠標為工具，在三維圖紙上進行語音標注，即時反饋機制提升了信息交流的精度，強化了模型審查與討論的互動性。進一步地，鼠標右擊可精確定位模型零件，伴隨顏色變化與指引線標識零件名稱，利用FBX格式的節(jié)點信息描述，批注模塊不僅支持模型瀏覽，還涵蓋文字與語音批注功能，右擊界面則展開互動菜單，為零件提供獨顯、隱藏及錄音等便捷操作，豐富了交互體驗。

2" 使用方式

電子批閱系統(tǒng)需要教師、學生共同參與。本文將教師使用的端口稱為教師端，學生使用的端口稱為學生端。不同端口的參與者不同，因此使用方式也不相同。

2.1" 學生端

學生端是由Inventor上的插件實現(xiàn)，界面如圖4所示，上方是選擇插件的菜單，選擇后可以看到插件的功能，包括登錄學生的賬號、獲取作業(yè)信息、上傳作業(yè)等。

在機械制圖的建模課程中，教師會隨課程進度布置作業(yè)，并統(tǒng)一作業(yè)的提交時間。學生在提交作業(yè)時要將作業(yè)文件提交到對應的作業(yè)任務，這時學生只需點擊圖4中的“文件上傳”便會彈出圖5的界面，即文件上傳窗口。學生在“選擇任務”中選擇目標文件提交至教師布置的對應作業(yè)中。文件可以選擇只上傳裝配體本體，也可以上傳選中的裝配體和零件。在完成所有選擇后，單擊“上傳”按鈕即可將文件轉換并上傳至教師端。

該插件能夠自動檢測并獲取學生端當前正在瀏覽的CAD文件，同時提供一個直觀的用戶界面，允許學生從中選擇與之對應的作業(yè)任務。這一設計確保了插件能夠準確無誤地將學生轉換完成的文件上傳至教師指定的作業(yè)任務中，極大地簡化了作業(yè)提交流程，并有效地提升了教師批閱作業(yè)的效率與便捷性。

除了上傳作業(yè)，學生端還能夠接收教師端的文件。其中“文件更新”的功能可以實現(xiàn)將教師端批閱后的文件下載下來，讓學生能夠根據(jù)教師的批注對作業(yè)進行修改和再次提交。

2.2" 教師端

教師端主要有兩個功能：作業(yè)批閱和學生管理。其中批閱界面如圖3所示，其功能的使用方法參見1.2模型批注模塊。

教師在課程中往往要對多個學生進行教學工作，因此教師端還需要一個具有學生管理功能的子系統(tǒng)。該系統(tǒng)內嵌了作業(yè)布置與作業(yè)管理兩大核心功能，后者最為關鍵。教師可以通過作業(yè)管理對每位學生的作業(yè)進行批注打分。教師只需要點擊想要批改的學生姓名或學號，就可進入批閱界面開始批閱，使得教師可以在短時間內高效地完成作業(yè)評估工作，為其工作帶來了顯著的便利與提升。

2.3" 教師端和學生端的交互

教師端和學生端的鏈接可以實現(xiàn)課下作業(yè)互動過程。教師先在教師端布置作業(yè)任務，讓學生在自己的電腦上或在機房中完成建模任務并上傳。在學生將作業(yè)提交上傳后，作業(yè)文件會被歸檔在學校提供的服務器上，同時被發(fā)送到對應教師對應的作業(yè)任務中。教師在教師端可以直接查看每一個學生的作業(yè)提交情況并閱覽已提交任務學生的模型，該過程無須另外安裝建模軟件的最新版本。教師在閱覽模型時，可以對學生的模型進行批注和更改，并將批改后的文件上傳至服務器，進而發(fā)送回學生端，便于學生修改調整。教師與學生可以不斷重復上述步驟，從而建立起一個積極向上的學習循環(huán)過程。該過程不僅強化了教師的主導作用，還充分發(fā)揮了學生的主體作用，通過師生之間的緊密互動與協(xié)作，共同推動教學質量的持續(xù)提升與學生學習成效的顯著增強。

3" 預期效果分析

3.1" 學習成效方面

在傳統(tǒng)的教學模式下，學生作業(yè)提交效率低下，師生之間缺乏交流反饋。通過電子批閱系統(tǒng)，學生和教師之間的溝通效率大幅提升。學生可以通過教師的批注進行多次修正并再次提交，形成良性的學習循環(huán)過程，學生的學習效率大幅提升。同時教師能夠將知識更加系統(tǒng)性地傳授給學生，并且能夠對每一位學生因材施教，提高學生的學習質量。

3.2" 管理效率方面

面對學生群體的急劇膨脹及高校擴招趨勢，傳統(tǒng)管理模式在作業(yè)管理上的局限性日益凸顯。通過電子批閱系統(tǒng)，教師可以將學生的作業(yè)文件存儲在服務器上，不必刪除先前學生的文件。同時系統(tǒng)內部的學生管理系統(tǒng)還能將每個學生通過屆數(shù)、專業(yè)和班級進行分類，并且將學生的分數(shù)歸納入檔，方便后續(xù)查找，提高教師對學生作業(yè)的管理效率。

3.3" 批閱質量方面

傳統(tǒng)模式下，教師批閱作業(yè)的反饋滯后，導致學生遺忘模型細節(jié)，且批閱多限于課堂口述或遠程展示，難以個性化詳盡指導，限制了批閱效果的最優(yōu)化。通過使用電子批閱系統(tǒng)，可有效地解決上述問題，確保批閱反饋的及時性，使學生能夠迅速獲取教師的評價與建議，使批閱的指導功能得以充分發(fā)揮。這種即時且個性化的反饋機制，不僅促進了學生對學習內容的深入理解與掌握，還增強了教師批閱對學生學習成效的積極影響，整體提升了教學質量與效率。

綜上所述，電子批閱系統(tǒng)作為機械制圖課程改革的一項重要參考，顯著提升了學生的學習效率與質量，為教育過程帶來了深刻變革。該系統(tǒng)不僅簡化了教師對學生作業(yè)的系統(tǒng)化管理工作流程，還通過即時反饋機制，強化了教師的指導作用，促進教學相長。此創(chuàng)新實踐不僅為機械制圖課程的課下作業(yè)教學開辟了全新的視角，還為同類型課程的改革與發(fā)展樹立了典范，提供了可借鑒的寶貴經驗。

4" 總結與展望

針對當前機械制圖課程在制圖軟件教學過程中遭遇的學生與教師交流不暢，以及制圖文件格式不統(tǒng)一等核心問題，本文提出了一種基于電子批閱系統(tǒng)的課程改革方案，通過Inventor" API編寫了建模軟件插件模擬學生端，基于HTML語言構建了網(wǎng)頁批閱系統(tǒng)模擬教師端，并利用模擬服務器實現(xiàn)兩端之間的交互。在預期效果分析方面，從學習、管理與批閱三個維度出發(fā)，深入探討了電子批閱系統(tǒng)相較于傳統(tǒng)教學系統(tǒng)所展現(xiàn)出的顯著優(yōu)勢。作為機械制圖課程等工科領域課程改革的重要參考與推動力量，該課程改革方案的應用前景廣闊且意義重大。

參考文獻

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