Doc - Инженерная графика - Витебский государственный

УДК 004:378
ПРОГРАММНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ПОДДЕРЖКИ
ПРОЦЕССА ГРАФИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ И КОНТРОЛЯ ЗНАНИЙ
ПО НАЧЕРТАТЕЛЬНОЙ ГЕОМЕТРИИ
Козинец Дмитрий Георгиевич, Полозков Юрий Владимирович,
Учреждение образования «Витебский государственный технологический университет»,
г. Витебск, [email protected]
Представлен программно-методический комплекс, разработанный с целью
компьютеризации процесса графической подготовки и автоматизации контроля
знаний по начертательной геометрии. В отличие от традиционных средств
компьютерного тестирования в разработанном программном обеспечении контроль
знаний обучаемых осуществляется путем самостоятельного выполнения студентом
геометрических построений и автоматической проверки выполненного решения.
Изложена методика графической подготовки и контроля знаний студентов,
реализованная данным программным обеспечением. Рассмотрено функциональноструктурное описание разработанного программного обеспечения. Приведены
типовые задания программно-методического
комплекса, которые могут
использоваться при изучении курса начертательной геометрии.
Одной из эффективных форм контроля знаний обучаемых является тестирование,
позволяющее
автоматизировать
процесс
проверки
знаний,
обеспечить
дифференцированный подход в этом процессе, повысить объективность оценки.
Однако, как известно, тесты, основанные на выборе правильных ответов, не всегда
позволяют качественно оценивать продуктивные уровни знаний, связанные с
творчеством, такие как способность синтеза пространственных форм, а также
методологические знания, связанные с владением методами и приемами решения задач.
Такие тестовые задания подразумевают в качестве ответа испытуемого некое
логическое или количественное значение (которое легко можно сравнить с эталоном).
Типовые задания дисциплины «Инженерная графика», как правило, имеют ответ в виде
графического изображения. При этом принципиальным условием для оценки
творческих способностей является самостоятельное построение испытуемым
геометрического объекта, являющегося решением текущей задачи, а не выбор готового
варианта из предложенных. Таким образом, задача компьютеризации графической
работы студента и автоматизация контроля правильности геометрических построений
является актуальной.
Решением данной проблемы является программно-методический комплекс
поддержки процесса графической подготовки и контроля знаний по дисциплине
«Инженерная графика», который обладает всеми достоинствами компьютерного
тестирования, обеспечивая также контроль продуктивного уровня знаний. Для создания
такого комплекса была разработана методика, основанная на традиционном решении
задач по инженерной графике. В рамках этой методики испытуемому предлагается
условие задачи, которое помимо текстового описания включает исходные изображения
предмета. По условию задачи требуется выполнить необходимые геометрические
построения и вычертить ответ в виде точки, линии или изображения. Отличием
предлагаемого варианта от традиционного является то, что исходное условие
предлагается в электронном виде, и все построения выполняются на компьютере.
Кроме этого, осуществляется автоматическая проверка решения, которая основана на
сравнении построенного изображения с эталонным.
Для реализации предложенной методики программное обеспечение должно
включать включающее следующие функциональные модули: графический редактор;
подсистему сохранения и чтения изображений; подсистему сравнения изображений;
подсистему квалиметрической оценки работы; подсистему управления доступом.
Графический редактор обеспечивает построение геометрических примитивов,
управление графическим окном (панорамирование и зумирование), режимы привязки и
автоматическое построение линий проекционной связи. Этот редактор обеспечивает
основной функционал предлагаемого метода, доступ к которому предоставляется
иерархической объектной моделью: Чертеж – Графическая область – Плоскость
проекций – Примитив.
Объектная модель разработанного приложения состоит из классов примитивов –
отрезок, вспомогательная прямая, дуга окружности, окружность, точка,
вспомогательная точка (без названия), сплайн. Кроме наследуемых методов и свойств
каждый конкретный объект имеет собственные методы. Код, хранящий описание
примитивов, сконцентрирован в Библиотеке геометрических примитивов.
На описании примитивов построена вспомогательная Библиотека геометрических
функций и построений, в которой определены функции, используемые в различных
ситуациях: расчет расстояний, построение точек пересечения, перпендикуляров и др.
Подсистема сохранения и чтения изображений предназначена для хранения
разработанных задач: как текстовой части, так и изображений (исходных и эталонных).
Указанная подсистема реализована двумя процедурами: запись данных –
преобразование текущего экземпляра Чертежа в текстовый вид и чтение данных –
построение Чертежа (включая все дочерние объекты) по текстовым данным.
Изображения хранятся в векторном виде в собственном формате.
В подсистеме сравнения изображений для обеспечения сравнения все
изображения жестко связаны с используемой системой координат. Предлагается два
метода проверки результатов выполнения задания: проверка ранее заданных условий и
сравнение векторных изображений.
Метод проверки ранее заданных условий основан на том, что решение
подразумевает именованные объекты (точки), координаты которых известны. Это
позволяет в алгоритм проверки решения включить проверку выполнения этих условий,
а также составить сообщение пользователю о найденных ошибках и легко рассчитать
численную оценку. Недостатком данного метода является необходимость выполнения
экзаменуемым формального оформления решения (количество объектов в решении, их
обозначение и т.п.), а также реализация интерпретатора для записи и чтения этих
условий из текстового вида.
Второй метод основан на сравнении координат точек и единичных отрезков, из
которых состоит изображение. На экран выводится результат сравнения:
геометрические объекты, которые различны на построенном и эталонном
изображениях, выделяются цветом; производится количественный анализ отличий, на
основе которого выставляется оценка (рисунок 1).
а. Эталон
Изображение содержит 10
единичных
отрезков,
следовательно 1 отрезок
составляет 10 % решения
б. Проверяемое изображение
в. Результат проверки
6
отрезков
построено
правильно (60%); 4 отрезка
лишние (40% - штраф);
Общий
результат:
60%-40%=20% (неуд)
Рисунок 1. Пример сравнения изображений
По умолчанию каждый единичный отрезок имеет равную долю значимости в
решении, но возможно назначить весовые коэффициенты, которые позволят оценивать
результат исходя из заданных критериев.
Описываемая методика была реализована в виде программного обеспечения –
программе TestDraw (рисунок 2), которая поддерживает несколько режимов работы:
режим создания заданий (построение исходных изображений и искомого эталонного,
задание критериев оценки, сложности и т.п.); режим тренировки (выполнение задания
без ограничения по времени, с возможностью промежуточных проверок правильности
построений); режим «экзамена» (с ограничением по времени и выставлением оценки).
Интерфейс программы представляет стандартное однооконное приложение. Под
заголовком окна расположено выпадающее меню. Доступ к наиболее востребованным
при работе командам реализован также с помощью панелей инструментов: вверху –
стандартная и управления рабочим окном, слева – рисования и редактирования.
Управление режимами возможно в строке состояния (выбор типа линий, включение
отображения линий связи, сетки, осей, управление привязками).
Рисунок 2. Интерфейс программы TestDraw
Исходя из существующих алгоритмов проверки решений, предлагаются
следующие типовые задания для проверки знаний (таблица 1):
Таблица 1
№
п/п
1
Результат
Темы
Пример условия
решения
Проекции
Проецирование а). Построить проекции точки с заданными
точки
точек.
координатами;
(именованной)
б). Построить проекции точки, расположенной
выше (ниже, правее и т.п.) заданной точки;
Позиционные
а). Построить точку лежащую на отрезке и
задачи
заданным расстоянием до плоскостей
проекций;
г). Построить точку пересечения прямой и
плоскости;
Точка на
Построить недостающие проекции точек на
поверхности
заданной поверхности;
2
Проекции
отрезка
3
Проекции
линии
Частное
положение
прямой
Главные линии
плоскости
Пересечение
плоскостей
Построить горизонталь (фронталь) на
заданном расстоянии;
Позиционные
задачи
а). Построить отрезок так, чтобы вместе с
заданным отрезком он задавал плоскость с
определенными условиями;
б). Построить перпендикуляр к плоскости;
Линия на
поверхности.
Построить недостающие проекции линии на
заданной поверхности по заданным опорным
точкам. Видимость участков линии
обозначить типом линии.
Построить линию пересечения поверхностей
по характерным точкам. Видимость участков
линии обозначить типом линии.
Пересечение
поверхностей
4
Изображение
Инцидентность
объектов
Проекционное
черчение
Построить горизонталь (фронталь) плоскости
Построить линию пересечения плоских фигур.
Построить недостающие проекции плоской
фигуры
Построить три вида предмета по двум
заданным.
В настоящий момент проводится работа над отладкой программного обеспечения,
наполнением базы данных заданий, разработкой системы квалиметрической оценки
работ, разработкой сетевой версии программы.
В перспективе планируется внедрение разработанной методики в учебный
процесс кафедры инженерной графики учреждения образования «Витебский
государственный технологический университет».