基于Web和多媒体技术的机械制图课程教学体系

基于Web和多媒体技术的机械制图课程教学体系沈连婠王晓东舒钊王美焰王洪伟郝瑜李木军中国科学技术大学精密机械与精密仪器系【摘要】为营造一个教学相长的生动活泼的教学氛围，对机械制图课程教学全过程进行了教学改革。构建了一个涵盖教材、作业、教学方法、辅导方式等各教学环节的新的课程教学模式——基于Web的交互式教学系统。该系统包括一套基于web的多媒体教程，一套交互式网络作业系统和一个基于协同设计的虚拟研讨环境。在教学的每一个环节上都面向学生、服务学生，服务老师，服务教学。教学实践证明利用该系统能显著地激发学生的学习兴趣，降低学习难度，缩短学时，提高教学质量。【关键词】机械制图、网络教程、网络作业系统、虚拟教学环境1前言工程图样被誉为工程界的技术语言，在现代工程技术人才培养中起着极其重要的作用，因此，普通高校理工科大学都把机械制图作为一门必修的公共基础课。然而，以信息技术、生物工程、新材料等高新技术为龙头的现代科学技术的急速发展，经济和市场的全球化趋势以及日益激烈的国际竞争使产业不断重构，各个学科之间相互渗透，交叉发展，当前信息技术已经渗透到现代工程从“创意－设计－制造－上市”的每一个环节和每一个产品。制造业的这一发展形势使《机械制图》课程的改革同样面临着前所未有的机遇与挑战。如何保证机械制图课程的基础课作用，又使其适应科学技术的发展，更新、完善自己，特别是将其糅合到现代设计中去，是摆在制图教师们面前的现实而又深刻的课题。显然，传统的《机械制图》课程存在着的课程结构，课程内容，教学方法，教学目标上的局限性，使其已不能满足培养现代工程人才的需要。例如，作为机械制图课程的基础理论——画法几何，其核心是用平面图形表达空间立体，在三维的原创设计和三维的产品之间用二维的平面图形来传递技术信息，因此，由于它的抽象性，使人们要花费大量的时间和进行特殊的训练，才能建立起三维立体和二维图形之间相互转换的概念和培养出抽象思维和空间想象的能力。画法几何从1795年由法国人GaspardMonge（蒙日）创立以来，一直作为一门独立的学科，过分强调了它的独立性，单一的图解法（例如：用投影变换求线段实长）使图、数分离，忽略了知识的相关性。加上静态的板书教育技术和手段无法展示三维实体与二维投影图形之间转换的动态过程，使初学者不容易理解和掌握。当今计算机图学高度发展，现代工程界已将三维图样作为主流的信息载体。画法几何这种只传授用二维图形表达三维物体的教学内容显然使学生的知识结构落伍。制造业中已经采用现代设计方法，实现了计算机绘图，如果只训练学生用仪器绘图，就会使学生拥有的基本技能落伍。从来的制图课强调训练学生垂直思维，个人独自工作，没有教学环节让学生进行横向思维和学习团队协同工作，不利于培养学生的团队工作精神，因此，其训练方法也是落伍的。这种种因素造成了机械制图课程学时居高不下、学习难度大、学习效率低，学生的知识结构陈旧，学生的学习积极性受挫等弊病。因此，我们不仅要改变教学手段，而且要从教学内容、教学方法，教学模式和课程体系结构诸方面进行全方位的改革，使制图课教学能在少的教学学时里，有好的教学质量，高的教学效率和新的学科发展内容。我们的“基于网络和多媒体技术的机械制图课程教学系统”的设想就是在这样的理念下提出来的。2系统构成首先在教材方面，建设一个既可用于课堂面对面教学，利于学生接受，便于教师使用，又可以让学生远程自主学习的多媒体教程。在该教程中，要充分利用多媒体技术的优越性，科学地重组课程内容，使其静动结合、图文声并茂，特别要尽可能的以三维二维动画来充分地、准确地表达课程精髓——三维立体与二维图形之间的相互转换过程，制作的具有交互能力的生动活泼的网上教程，要有传统的板书教学方法无法达到的效果。以便能在少的学时中，获得高的课堂教学质量。课件中配以解说，使选修或自修的学生能收到不亚于课堂上授课的学习效果。其次，在作业环节上，要配以交互式远程制图作业系统。其特征是在师生之间传递的介质是矢量图形（dwg或DXF格式文件）。除了具有通常的作业发布和递交等功能外，要有机械图样的远程作业批改功能，要有分别面向教师和学生的习题集，答案集（平面和立体），疑难题解答集等。系统要人性化，既提供共享资源，又不强加于人，充分地尊重老师，保护个性化教学。系统要具有能保留老师各自教学特色的功能，例如，系统带有系统习题库，但应提供一个空间，让老师可以建立自己的习题资源库，只供自己需求。当然，系统也提供一种设置，使老师在愿意将自己的教学积累贡献给公众时，随时可以上传，使公共资源不断地丰富起来。在辅导环节上，为使教师更贴近学生，还需要有一个不受时间、地点、场合的虚拟研讨环境。使异地的师生能像在教室里一样，面对面地就某个感兴趣的图样开展交流。因此，我们构建了一个基于协同设计的虚拟教室，为老师和同学们提供场所来组织研讨小组，人们在各自的浏览器上可就同一个图样发表意见，在图形上作各种标注，惑用语言和文字讨论。利用这个虚拟教室，人们就如同在一个教室里讨论同一张图纸一般。因此，我们构建了一个基于web的机械制图课程教学系统，它由四部分组成：„一套基于网络的多媒体教程„一个基于网络的交互式作业系统„一套集题目、答案、立体图的电子习题集„一个基于协同设计的虚拟教学研讨环境。3系统实施3．1基于Web的多媒体教程科学组织的教学内容：页面紧扣教学大纲，按知识要点组织。力求一个知识要点集成在一个页面集中，组织紧凑，重点突出，层次分明，便于学生在比较和鉴别中掌握知识。图1是本教程网站首页，图2是精心组织的页面示例，集中诠释一个知识点。方便的可操作性：级联式菜单隐藏在标题栏中，鼠标右键弹出。如图3所示。隐藏式菜单为有用信息保有最大限度的面积，可实现页面的最大限度的使用效率。级联式菜单还可使用户非常方便地在整个教程中搜索课程内容，实现任意位置的跳转，方便学生复习和老师上课时的灵活运用。寓教于乐的氛围：大量的描述三维立体与二维图形之间的变换过程的生动动画，使难以理解的空间立体与平面图形的转换关系得以在笑声中理解。图3所示动画描述曲面立体的相贯线变化趋势，动图2紧凑而科学的知识点组织图1教程网站首页画演示吸引了学生的眼球，将理解相贯线形成和变化过程的苦涩在惊叹和笑声中化解。图4所示的三维动画出神入化地介绍了国家标准规定的机件的各种表达方法。图5为可操作的电子图表。图4描述剖视图形成的图形三维动画图3动画演示回转体相贯线的形成图5可操作的电子图表3.2基于web的网上作业系统本系统基于jsp＋javabeans＋mySql的架构，所有技术都为独立开发。图6为其系统逻辑图。网上作业系统分为三个模块：管理员模块，教师模块和学生模块。管理员负责图库的维护，用户资料的管理，登记注册等工作；教师模块包括对题库（系统库、扩展库和个人库）浏览，作业发布和收取作业，成绩发布和统计，对题库中的扩展库和个人库的扩充和修改，疑难解答和消息发布，与学生的在线讨论等功能。图7为教师功能模块的主页。学生模块包括查看、下载、上传作业，查询成绩，参与在线讨论，查看消息和浏览疑难题解答等。疑难题解答库也具有开放性和可扩展性，老师可以有目的地定制上传各种疑难题目的解答，而学生则可以选择自己感兴趣的内容进行学习。图6作业系统逻辑框图图7作业系统教师模块3．3基于协同设计的交互式虚拟教学研讨环境这是一个在java平台上开发的自主版权的基于web的协同设计环境。利用分布式技术实现异地同步交流与资源共享，同时采用客户/服务/数据的三层开放性结构作为系统的基本框架。该系统以CAD图形为对象，具有异地实时作图、文件保存、图样浏览；协同批注等功能。有可对图形实时多用户讨论、多用户的多级管理和版本控制等功能。在这一虚拟研讨环境中，异地的教师与学生，可以一对一，也可一对多通过网络空间随时直接交互，相互研讨，电子图板讨论区可以开设多个主题同时进行讨论。该平台与网上作业系统相结合，老师就不需在本机上配备AutoCAD软件，即可实现在线批改作业。图8为一个用户的浏览器页面。某一个讨论主题内的用户不受其它讨论主题的影响。由于该系统采用b/s结构，各个客户端无需安装任何软件，也无需升级。只要浏览作业系统提供的图板讨论区网址即可。图8虚拟教学研讨平台论坛主题组别用户清单对话区绘图区工具栏红线和标注5结论与展望本系统中的多媒体教程是以动画为主，配以解说，具有交互能力的生动活泼的网上教程，既可用于课堂面对面教学，又可以作学生远程自主学习所用。交互式制图作业系统可使老师与学生通过作业在因特网上实现互动。虚拟研讨环境为让教师在课后更贴近学生而设计，异地的老师和学生通过浏览器进行同步的或异步的交流，而不受时间、地点的限制。8年来，该系统中的网络多媒体教程边研制，边用于教学，收到了很好的教学效果，广受使用者欢迎。整个系统的进一步完善可望实现机械制图课程的无纸教学。参考文献[1].沈连婠，王瑞芳，邬玉亭和王琪民（2004），机械制图课程教学研究及其改革实践，《教育与现代化》，2004年04期，34－40[2].YaoJianping,ChenDafeng,GuoYuhua,LiMujun,ShenLianguan(2002),DevelopmentofWebbasedInteractiveMechanicalGraphicsPraxisSystem,ProceedingsofIE&EM’2002&IceCE’2002.[3].ShenLianguan,LiMujun,LiShufang,WuYuting,Maji,ChenDafen,WangQiming&WangRuifang(2001),DevelopmentandpracticeofwebBasedCourseofMechanicalDrawing,ProceedingsofICeCE2001.