基于工业设计原理的机械CAD基础自主学习系统

    《机械CAD基础》是高等学校机械基础类专业的一门重要技术基础课程，主要讲述CAD原理、数据库结构、二维图形技术、三维造型技术等内容，通过课程的学习，使学生掌握CAD技术的基础知识，为后续的CAD／CAM、机械设计、课程设计等课程学习打下基础。

    随着计算机技术的发展，越来越多的课程都使用以计算机为手段的电子教学系统。电子教学手段可以激发学生的学习兴趣，提高课程的学习效率。以往的《机械CAD基础》自主学习系统大都由非工业设计专业的任课老师自己制作，较少从工业设计角度考虑人机界面、色彩设计、文字设计及人机交互设计等因素，缺乏人性化设计。本文运用工业设计原理。对原有的自主学习系统进行重新设计，取得了良好的教学效果，并为其他课程的自主学习系统设计提供了良好的思路。

1  系统结构设计

1.1  系统结构

    根据课程的知识结构，共分绪论、工程数据结构与数据库、图形处理原理、工程图样的绘制、三维几何造型等内容，因此设计系统结构如图1所示。

1.2  开发工具

    以往的学习系统开发使用Authorware+Powerpoint制作模式，文件占用磁盘空间大，不利于网络传输，影响了系统的在线使用。Flash技术现已经广泛用于网页、网站学习系统的制作，用它制作的网页具有如下优点：

    (1)文件占用空间小，便于传输和携带；

    (2)图形、文字处理能力强；   

    (3)兼容性好，交互性强。因此本文使用Flash技术作为学习系统制作的主要开发手段。

2系统的设计原则

    从工业设计角度出发，自主学习系统的设计主要应从界面设计、色彩设计、文字设计及人机交互设计等几方面进行考虑。

2.1  界面设计

    界面设计是自主学习系统设计的重要部分，是用户在与计算机交互时对所用的沟通符号的设计。界面是用户与系统交互的窗口，用户通过界面向计算机输入信息进行控制、查询和操作，系统则通过界面向用户提供课程信息。好的界面设计，有助于学习者对知识的理解和记忆，方便对系统的使用，激发学习兴趣。

    界面设计主要应遵循以下原则：

(1)一致性。一致性指系统界面整体上的一致感。对于具有同样功能的操作对象，在表现形式上要力求一致，起控制作用的按钮和图标也应一致。

(2)适应性。由于用户个别差异的存在，系统设计应尽量让不同的用户均可以获得他们所需要的学习方式。对不同认知风格的用户应提供不同的学习与操作方法。

(3)灵活性。体现灵活性的系统应允许用户能用与他的知识技能和经验相称的方式进行交流，如显示或不显示提示，允许缺省设置，建立用户记忆等。

(4)易学易用性。一个好的学习系统应该易学易用，便于上手，否则无论采用的技术多先进，设计的功能多复杂，但用户对它都会望而生畏，这样这个系统就没有生命力，学生就不愿意使用。

2.2  色彩设计

    学习系统的设计要用到各种各样的颜色，协调搭配的色彩可以吸引用户的视觉感官，从而引起用户的注意，只要色彩使用恰当，就能促进用户对屏幕上各部分内容的识别，突出差异，使内容显示更为醒目，更富有趣味性。

    色彩的运用应注意如下原则：

(1)避免同时使用太多颜色；

(2)用色彩起强调作用；

(3)视野的中心多选用红、绿色，而边沿则比较适于采用蓝、黄、黑色三种颜色。相对来说，边缘部分的色彩不易引起注意，所以必要时可采用闪烁、动画等其他技巧来配合。

2.3  文字设计

    课件的文字设计应考虑以下几点因素：

(1)文字内容要逐步引入。对于每一屏文字资料，应该随着讲课过程逐步显示，符合学习的认知规律。

(2)要采用合适的字体、字号与字形。文字的字号要适中，选择的字体要醒目，对于中文一般宜采用宋体、黑体和隶体。对于文字内容中关键性的标题、结论、总结等，要用不同的字体、字号、字形和颜色加以区别。

(3)文字和背景的颜色搭配要合理。文字和背景颜色的搭配要醒目，易读，长时间阅读不至于疲劳。一般文字颜色都以亮色为主，背景颜色都以暗色为主。

2.4  人机交互

    人机交互指人与计算机之间使用某种对话手段，以一定交互方式，为完成特定任务而进行的人机之间信息交换的过程。人机交互设计主要应遵循的原则有：友好性、灵活性、功能性、明确性、一致性、可靠性、图形化。

    该系统的人机交互内容在遵循以上设计原则的基础上，选用“按钮”和“点击对象”的交互方式，支持鼠标和键盘，避免了层次太多的交互菜单，可以方便地在各章节间跳转。

3  系统的详细设计

3.1  片头动画与片尾动画模块

    动画在制作过程中主要依靠动作补间技术来完成。在整体的构图上主要由四部分构成。按钮层加入脚本如下：

  进入主界面时：


3.2  主交换模块

    主交换子模块是学习系统的核心，它控制了5个学习内容的调用。根据图1的系统结构制作了7个按钮，分别是绪论、工程数据结构与数据库、图形处理原理、工程图样的绘制、三维几何造型、实例演示及退出系统。每个按钮中都写入相应的调用语句，以进入相应章节。

3.3  绪论模块

    这一模块的二级制作内容包括CAD技术概论、CAD系统组成、CAD技术的应用及CAD发展趋势。

    根据这部分知识的特点，采用了二层导航的方式进行动画演示。

3.4  工程数据结构与数据库模块

    这一模块的二级制作内容包括工程数据概述、图形数据结构及工程数据库。

    在本模块的制作方法上，主要是采用Flash本身提供的幻灯片功能加上加钮导航的方式制作的。

3.5  图形处理原理模块

    这一模块的二级制作内容包括图形变换、图形的裁剪、消除隐藏线和实体的表现。

    这一章在制作上主要是通过按钮的导航方式来完成的。每个知识点均放在不同的场景中，以方便修改。在这一章中使用了大量的视频文件，根据视频文件的大小，采用了直接导入视频文件的方法，使视频文件在库中以一个文件的形式存在，随时可以调用。

3.6  工程图样的绘制模块

    该模块的二级制作内容包括工作界面、绘图准备、图形绘制、图形编辑、图案填充、文字处理、图形复用、尺寸标注、辅助绘图及绘图举例。

    该模块中主要采用逐帧动画的方式进行演示。将演示的内容分别放置在不同的关键帧中，通过按钮来完成帧间跳转，其控制流程见图2。

3.7  三维几何造型模块

    该模块的二级制作内容包括造型环境、三维面创建、三维实体创建、三维实体编辑、效果图的表现及特征造型法。该模块同样也采用逐帧动画的方式进行演示。

3.8  实例演示模块

    实例演示模块是通过调用多个视频来完成对二维动画、三维动画的演示。在制作过程中这部分采用逐帧动画的形式来完成。

3.9  脚本语言ActionScript

    ActionScript是Flash的脚本语言。正是由于Flash中增加了ActionScript语言，才使用户创作出来的动画具有很强的交互性。它是从类似JavaScript，面向对象的语言扩展和重建而来的，同样需要具有事件、数据类型、对象和语法等。

    ActionScript具有标准的实施方案以及灵活的图形和音频功能，该课件开发中章节的跳转，影片的调用和控制都使用到了脚本语言。使用ActionScript调用影片的程序段如下：

4  结  语

    课程的自主学习系统设计除了包含基本教学内容外，还应当考虑到人机界面、色彩设计及人机交互等技术性问题。本文基于工业设计原理对课程组原来设计的机械CAD基础自主学习系统进行了重新设计，制作了新的自主学习系统。新系统已在教学中使用了三届，学生普遍反映界面更加简洁清新，内容跳转更加容易，课件整体更加人性化，更加符合自主学习的学习规律，因此取得了良好的教学效果，深受学生的欢迎。