机械制图在线综合系统设计与实现

张淑娟，赵华民，武志明，赵聪慧，陈振宇

(山西农业大学工学院，山西太谷030801)

机械制图是工科专业的一门重要的专业技术基础课。教学目标主要是培养学生的看图和画图能力。因此，在教学过程中，经常需要进行从三维形体到二维图形，再从二维图形回到三维形体的空间思维活动，以培养学生的空间想象能力和三维形体的二维表达能力，这是机械制图课程教学的难点及重点［1］。在传统教学中，学生的空间思维能力与想象能力的培养主要依靠老师结合挂图、模型讲解如何将三维实体模型转化为二维图形，二维图形如何反映三维实体等。随着学生数量的增多，传统的教学方法显得力不从心，老师讲的费时费力，学生听得枯燥无味，很难达到良好的教学效果。随着计算机多媒体技术的发展，教师在上课时利用多媒体课件讲解有关内容，达到了提高课堂信息量，形象、直观、清楚地将教学内容展现给学生的教学效果。随着网络技术的发展，学生宿舍大多已联网，为在线学习系统开发打下了良好的硬件基础。

已有学者对制图课程的网络学习方法进行了研究，开发了一些学习系统。2006年，叶琳等开发了基于网络的工程制图读图系统，使用了多种技术手段，并将具有可交互的、适时显示的虚拟模型引入其中［2］;2008年，杜冬梅等开发了网络化工程制图辅助教学系统［3］。2010年，陈坤等针对当前工程制图授课学时减少，课后辅导缺乏，采用ASP技术和Access数据库设计开发了基于WEB的工程制图习题库系统［4］。以上各种学习系统，在制图课的教学过程中发挥了重要的作用，但其趣味性、直观性和创新性还有待进一步加强。

本系统的设计力求加强机械制图课程的趣味性和直观性，创新在线学习方法，改善学习条件，提高学生学习的积极性和主动性，进而提高老师的教学质量和学生的学习效果。

一、系统关键技术和总体分析

(一)系统使用的关键技术

目前，在线学习系统主要有两类:C/S模式，B/S模式。前者主要的缺点是维护、升级较麻烦，后者是使用客户端/服务器方式模式，客户端是一个标准的浏览器，服务器端是Web Server，其主要优点是便于扩展应用、易于升级维护，所以本系统选用B/S模式。

系统主要采用ASP平台，用 Vbscript语言、SQL数据库作为技术支撑，采用 dreamweaver、photoshop、flash、Pro/E，AutoCAD 等工具和软件处理系统开发过程的素材和进行系统集成。整体设计遵循软件工程的方法，包括需求分析、总体设计、文档和代码的编制、模块测试和系统实现几个阶段。

(二)网站系统分析

按照系统开发的基本方法对系统进行分解，内容包括在线学习子系统、在线练习子系统、在线考试子系统3个模块。

1．在线学习子系统。本模块包含了机械制图教学大纲所有内容，并且可以在线以“翻书式”来阅览和学习。也包含了一个内容丰富动态模型实例视频库，以3D墙的形式展示出机械结构的静态图片和三维模型。

2．在线练习子系统。在线练习系统的主要功能是当学生学习完以后，可以及时巩固练习，靠已掌握的知识来判断和回答系统提出的问题，其中使用了各种flash技术，寓教于乐，让学生不会感觉到枯燥无味，增加学习兴趣。

3．在线考试子系统。本模块要实现的功能主要是用户的在线考试。包括用户注册登录、试题模型设置、试卷生成，成绩查阅。另外，还要实现对用户信息的管理、试题库管理、计算机自动阅卷，成绩管理等功能。在线考试系统还应该具有友好、简洁的界面，高的安全性，强的稳定性，能够满足100人以上同时进行在线考试的要求。

二、在线学习综合系统设计与实现

(一)主页及数据库设计

在线学习综合系统的网站主页采用iframe嵌入式框架表达方式，达到不变主页就可以使用综合系统的全部功能。主页内容按总体功能分为学习子系统、练习子系统和考试子系统3个部分(如图1所示)。学习子系统包括课程介绍、课程学习;练习子系统包括正投影法、截切相贯体、组合体、轴测图、图样画法、标准件与常用件、零件图、装配图;考试子系统包括在线考试、系统管理和成绩查询。

图1 机械制图在线学习综合系统主页

考虑到本网站数据的特点，采用 Microsoft Access数据库［5］，在考试系统中建立一个名为test_admin．mdb的数据库。其中记录管理员账号和密码、统计学生考试成绩、记录学生信息、记录判断试题以及答案、记录选择题题目以及答案、记录填空题题目及其答案。

(二)学习子系统的设计与实现

1．设计思路。课程学习子系统采用frame框架，分为左右部分。点击左边的链接实现右边框架内容的更换。右框架采用flash技术［6］，以“翻书式”方式生动展示书本知识、学习课件等，其操作风格类似学生看书的过程，大大增加了学习的生动性和趣味性，如图2所示。

图2 学习子系统“翻书式”操作界面

2．课程学习子系统内容。本子系统内容包括制图课程的基本资料，还包括了课件、电子教材及三维模型库。

三维模型库采用flash特效技术展示了机械设计中常用部件的装拆动画和三维模型动画，以及对应的二维图形。以3D炫彩和轮转方式展示模型视频动画中的截图，鼠标放置相应的图标上则显示该视频的主题以及相关信息，单击则弹出窗口播放相应的动画视频。如图3所示是点击视频库中“减速器截图”后播放减速器结构动画。

图3 点击视频库3D墙上的减速器截图后播放对应实例

(三)练习子系统的设计与实现

为了方便学生练习机械制图习题，课程团队教师根据自己多年的教学经验，总结了典型习题，以动画特效的形式在本系统中供学生练习，提高学生学习兴趣。练习系统中将这些习题，通过集中分类处理，再根据习题的难易程度，共划分成8个章节:正投影法、截切相贯体、组合体、轴测图、图样画法、标准件与常用件、零件图、装配图。学生可根据自己的需要和要求，点击适合自己的章节，完成习题练习。

练习子系统中题型共分21种，根据每种题型的特点都采取了不同的技术手段和展示形式，充分体现了其多样性、趣味性，而且操作简单、功能齐全。展示形式包括:双击可以显示答案、拖动图形到正确位置，交叉连线、在图形找错并点击标记，文本框提交，鼠标在图上直接绘制线、圆，椭圆等，实现与学生的互动。操作正确时还会弹出笑脸，加油等各种趣味图片和文字对学生进行提示和鼓励。

例如题型七，把传统的已知两视图画出第三视图的作图题改为选择题，通过鼠标拖动，将正确的视图拖放到指定位置，如图4所示。拖移正确则系统提示“恭喜!”，拖移错误则系统提示“再考虑考虑”。这种操作具有很强的趣味性，学生不会感到枯燥乏味。

图4 题型七拖动题

再如题型十七，见图5。本题通过使用flash技术实现在线画图功能，在页面上可以选择使用直线、画笔、橡皮等工具进行鼠标画图。直线、画笔可调粗细。作图错误可以撤销上次操作。椭圆、圆可以改变笔刷的颜色，可以填充。图中的标尺按照工程单位设计，每小格之间的距离是1mm。单击“显示”则显示正确答案，单击“隐藏”则隐藏正确答案。完成题目后的结果见图6。

(四)考试子系统的设计与实现

该子系统是专门用于学生参加在线考试以及管理员进行试题和成绩管理。具有开放性、方便性和灵活性的特点。

为了保证系统运行的效率和可靠性，系统服务器端应具有较高的软硬件配置以便同时容纳多名同学在线考试，客户端则是IE浏览器。系统结构图包含如下几部分，如图7所示。

图7 在线考试子系统结构

考试前教师将试题全部录入试题库。本系统目前只考察客观题部分和主观填空题部分。一般情况下，判断题是包括正确和错误;单选题在A、B、C、D中选择唯一正确的答案;鉴于主观题的主观性，目前还无法完全实现系统无误判卷，所以暂时没有上线。

考试时，考生进行身份验证登录系统以后，系统会自动进入到主界面，显示该学生的相关信息及近期的考试信息，学生可以点击查看自己以前的考试情况了解到自己的第几期考试的分数;学生可以进入试题练习系统，此系统的题目也是从试题库中随机抽取，但是不记录分数，使学生熟悉考试环境。登陆后的考试系统主界面如图8所示。

图8 登陆后的考试系统主界面

一旦进入在线考试，系统将自动调取试题库的试题并随机抽取和分配，每个人的试卷都不同。考生在答题过程中的答题信息通过单选按钮选择答案来反映。考试结束采取自主交卷的方式办法予以实现。系统会在考试时间结束前1分钟提示考生交卷并且在考试时间完成以后自动为考生交卷。考生提交试卷后即可看到自己的考试成绩，其分数将被记入库中以供审核和查阅。教师可以查看学生的姓名、考试是否及格、是否需要补考。

三、结论

本文讨论了机械制图课程在线学习综合系统的设计与实现。介绍了在线系统的一些功能实现过程和设计思路。本系统的内容已经在山西农业大学的机械制图与计算机绘图国家级共享课程网站上使用，并获得了学生的普遍好评。但是系统本身也还有很多不足，需要继续完善和扩充。比如可以将更多的知识、更多的考试方式纳入进来，以适应多层次的考试。随着该系统的不断完善，将会为本门课程实现考试的无纸化，为学生能更轻松愉快地学好本门课程提供有效的服务。

［1］ 周静卿，张淑娟，赵凤芹．机械制图与计算机绘图［M］．北京:中国农业大学出版社，2009．

［2］ 叶琳，邱龙辉，张惠英，等．基于网络的工程制图读图系统的研究与实现［J］．实验技术与管理．2006，23(4):74-76．

［3］ 杜冬梅，李红，张志，等．网络化工程制图辅助教学系统研究［J］．中国电力教育，2008，118(8):96-97．

［4］ 陈坤，陈志伟．基于WEB技术的工程制图习题库系统的设计［J］．西南师范大学学报(自然科学版)．2010，35(5):178-181．

［5］ 萨师煊，王珊．数据库系统概论［M］．北京:高等教育出版社，2000．

［6］ 金卫臣．中文版Dreamweaver+Flash+Photoshop网页制作三合一教程［M］．北京:清华大学出版社，2003．