慧魚創(chuàng)意組合模型在近機類專業(yè)機械設計基礎課程教學中的應用

范興鐸，應偉軍，李映平

（浙江農林大學暨陽學院，浙江 諸暨311800）

0 引言

機械設計基礎是高等工科學校里面機械類和近機械類必開的一門重要的專業(yè)技術基礎課和主干課，主要講授機械設備中常用機構的工作機理、機構的創(chuàng)新組合設計應用，以及常用典型機械零部件的材料、參數選擇及結構設計等基本內容，解決的是機械裝備設計中方案和技術設計階段的問題[1]。該課是后續(xù)專業(yè)課的基石，并且與工程實際聯(lián)系緊密，實踐性較強，通過該課程的學習學生應具備通用設備的設計、使用及管理維護能力，是培養(yǎng)應用型本科技術人員的重要課程。

從涉及到的知識點來看，《機械設計基礎》基本上是由《機械原理》與《機械設計》兩門課刪減掉一些章節(jié)后濃縮的一門課，所要掌握的知識量大面廣，課程內容涉及到生產實踐中的許多設備和零件，學生缺乏相關工程知識背景及閱歷[2]。此外在多數近機類專業(yè)學生看來，《機械設計基礎》課程不是他們的專業(yè)骨干課，因此不愿意投入太多精力。知識量大、工程背景缺失、非專業(yè)骨干課程等因素導致大部分學生學習積極性差，如何使近機類專業(yè)學生既能輕松地獲得更多更有效的知識信息，又能產生主動學習的欲望，是教育教學改革誠待解決的問題。

慧魚創(chuàng)意組合模型簡稱“慧魚”系，是德國Arthur－Fischer博士的專利“六面拼接體”基礎上發(fā)明的工程技術類智趣拼裝模型，具有擴展性、啟發(fā)性強，覆蓋科學知識領域廣等特點，被廣泛應用于實驗教學、科研創(chuàng)新和生產實際等方面。慧魚創(chuàng)意組合模型通過各種各樣的構件（功能模塊）組合拼裝而成，主要構件采用優(yōu)質尼龍塑膠制造，尺寸精確，不易磨損。連接方式采用燕尾槽插接方式，可以實現六面拼接、多次拆裝和反復使用[3]。慧魚模型的組合包包括大量常用的機械零件，如連桿（見圖1）、齒輪、凸輪、帶輪、鏈輪、軸、絲杠（見圖2）、蝸輪蝸桿、齒條、同步帶等，各零部件可以方便的組合搭建實現各種常用機構的運動。

圖1 慧魚連桿

圖2 慧魚絲杠

針對《機械設計基礎》課堂教學所面臨的一系列問題，結合慧魚創(chuàng)意組合模型的特點，本文對汽車服務專業(yè)《機械設計基礎》課程的理論教學與實踐教學進行了一系列課堂教學改革，將慧魚模型創(chuàng)新性的應用到理論與實踐教學中，激發(fā)學生學習興趣和熱情，提升教學質量，取得了滿意的成效。

1 慧魚創(chuàng)意組合模型在理論教學環(huán)節(jié)的應用

慧魚組合模型體積小，重量輕，攜帶方便，適合作為教具輔助教學，在理論教學環(huán)節(jié)所在課題組主要進行了三項改革應用，包括課堂展示理論驗證、結合網絡課程采用“翻轉課堂”教學模式和開設創(chuàng)新搭建課。整個的學習過程中學生能夠參與課程教學，實踐驗證理論，這樣不僅能增加課堂教學的趣味性，還能加深學生的感性認識。

1.1 課堂展示理論驗證

教師在課堂教學前，根據教學需要搭建好慧魚模型，在課堂上分發(fā)給同學們，在講授完理論部分知識后，讓學生操控模型進行驗證。該種教學方式主要應用到間歇機構、平面連桿機構、定軸輪系、周轉輪系等機械結構原理部分的知識點，學生通過操作模型獲得感性認識，加強知識點的理解和記憶，解決了學生缺乏相關工程知識背景及閱歷，不知道老師所講授的常見機構具體是怎樣組成、如何工作的問題。如在講授間歇運動機構知識點時，提前搭建好棘輪機構、槽輪機構、凸輪（圖3）間歇運動機構等常用間歇機構，在講授過程中讓學生操作這些機構，了解間歇機構主要由那些構件組成，如何實現的不連續(xù)動作，并比較各種機構的優(yōu)缺點；在輪系部分搭建好周轉輪系與定軸輪系，在模型的幫助下學生可以很輕松的弄明白定軸輪系（圖4）與周轉輪系（圖5）結構上的異同，以及反轉法在周轉輪系自由度的計算中的應用，輪系中各齒輪的轉動方向的判別等知識點。

圖3 凸輪機構

圖4 定軸輪系

圖5 周轉輪系

1.2 結合網絡課程采用“翻轉課堂”教學模式

在教師的指導下學生在課堂上搭建滿足教師要求的慧魚組合模型，并討論分析機構特點，進行探討式理論教學。該種教學模式主要應用于理論性相對較少工程背景較強的知識點，主要有機構自由度的計算、平面連桿機構的分類、螺紋連接的防松、帶傳動的打滑及彈性滑動以及鏈傳動的張緊、軸與軸承等軸系結構的配合設計等。兩節(jié)課的時間相對較短，不能要求學生搭建過于復雜的機構，也不能涉及太多知識點，主要通過分組分知識點搭建的方式，老師在上課時根據知識點的難易程度選擇3～5個知識點分配，每個知識點分配給2～3個小組，一般3～5人一組，利用一節(jié)課的時間每組搭建一個知識點的機構，并討論如何講授該知識點，為第二節(jié)課答辯做準備。第二節(jié)課通過抽簽答辯的方式，在每個知識點的小組中抽出一組演示并講授所搭建模型涉及的知識點，回答其他同學的提問，每組10 min左右，最后老師總結并回答同學解釋不清的問題。答辯成績計入平時成績，平時成績占期末總成績40%.

如在講授平面連桿機構的基本類型及其應用知識點時，采用“翻轉課堂”教學模式，教師課前分配鉸鏈四桿機構、含有移動副的四桿機構、具有偏心輪的四桿機構3個知識點并指導學生在學校網絡課堂上自學有關理論知識，在上課時為每個知識點分配3個小組，每組3～4人，利用1節(jié)課的時間指導學生利用慧魚模型搭建出雙曲柄、雙搖桿、曲柄搖桿、曲柄滑塊、導桿機構、搖塊機構、定塊機構等體現上述三個知識點的平面連桿機構，搭建的同時完成后期答辯的準備工作，搭建完成后抽簽讓學生負責演示并分析所搭機構特點。利用網絡課堂為載體、結合“翻轉課堂”教學模式、以慧魚組合模型為教具進行探討式理論教學，該種教學改革深受學生歡迎，取得了理想的教學成果，學生學習積極性得到大幅提升，該專業(yè)多名考研學生選《機械設計基礎》課為考研專業(yè)課，并取得了理想的考研成績。

1.3 開設創(chuàng)新搭建課

為了使學生形成完整的知識體系并加強學生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，在常用機構部分的教學任務完成后，安排2個學時的創(chuàng)新搭建課程，來回顧前期所學并進行創(chuàng)新應用。因前期的課堂展示以及翻轉課堂教學模式的應用，學生已經熟悉慧魚模型的組成及搭建方法，且已學完相關理論知識點，故創(chuàng)新搭建課主要考查知識的綜合應用以及創(chuàng)新應用，從模型的功能新穎性（25%）、實用性（15%）、機構創(chuàng)新性（25%）、合理性（20%）、功能的實現（15%）5個方面計算成績。在本課程的緒論課上老師就介紹清楚創(chuàng)新搭建課的要求，要求學生4～5人一組，自由組隊，綜合應用所學完成一款實用設備的設計，主題不限，但要求該設備必須具備一種創(chuàng)新性實用功能。在前期理論學習過程中完成原理方案的設計，在創(chuàng)新搭建課上用慧魚組合模型搭建實現，原理方案設計期間可以找老師討論方案的可行性。該教學環(huán)節(jié)的實用性及創(chuàng)新要求，貫徹了學以致用的教學理念，滿足了加強學生創(chuàng)新實踐能力培養(yǎng)的教學要求。教師在此教學環(huán)節(jié)中承擔輔助性工作，盡量誘發(fā)出學生的創(chuàng)新活力。該教學環(huán)節(jié)的實施取得了理想的教學成果，學生設計出了很多種富有創(chuàng)意且實用的設備，如導桿機構組成的山核桃采摘設備、節(jié)約場地的立體式停車場設備、無死角汽車雨刷設備等；還有的小組設計出了多機構多功能設備，如圖6為學生設計的一款便攜式多功能護理裝置，由連桿機構、絲桿機構、雙滑塊機構等多種機構組成，具有起背、翻身、報警、曲腿、腿部按摩等功能，利用慧魚機構模擬完成了原理方案，驗證了機構的可行性，然后加工出了實際設備樣機，該設備還獲得了浙江省大學生機械設計競賽省獎，并獲得專利授權。

圖6 便攜式多功能護理裝置

2 慧魚創(chuàng)意組合模型在實驗教學環(huán)節(jié)的應用

目前的機械設計基礎實驗課項目多為演示驗證性實驗，缺乏綜合性創(chuàng)新實驗，慧魚組合模型的無限拼接特性為設計綜合性創(chuàng)新實驗提供了工具，筆者所在課題組共設計了兩大類創(chuàng)新性試驗。

一類是優(yōu)化機構選用組合實驗。學生3人/組分組完成，利用2節(jié)課的時間搭建完成如下實驗：在600mm×600mm的實驗面板的左邊安裝一個電機，在面板右邊安裝一個滑塊，要求電機通過一系列的傳動機構轉換后驅動滑塊在規(guī)定行程內實現往復移動；或者是把一個物塊從左上角運送到左下角，實驗板上畫出中心點、每邊中點以及四個角點9個特殊點，再畫出10個隨意位置的一般點，要求該物塊必須經過指定的6個點。學生的任務是自主設計中間的傳動部分，規(guī)定傳動部分中必須包含平面連桿機構、凸輪機構、齒輪機構、帶傳動或鏈傳動、間歇機構等常用機構的3種以上。評判標準為功能原理方案的合理性及創(chuàng)新性。該實驗既用到了本課程前半部分的機械原理知識，又用到了軸、螺栓連接件、軸承等后半部分的機械設計知識，綜合性比較強，主要考查學生機構創(chuàng)新選用以及知識點的綜合應用能力。

另一類是開放性完成預定功能組合創(chuàng)新工程實驗。該類實驗要求與創(chuàng)新搭建課組合完成，因創(chuàng)新搭建課只有2個學時的搭建時間，如果有小組希望能夠搭建復雜的設備，需要更多時間，可以參加該類實驗，利用實驗時間先行搭建部分結構，參加該類實驗的小組的創(chuàng)新搭建課考核要求有所提高，所搭建設備必須能夠實現相對復雜完善的功能，不能再是單一功能的簡單設備，實驗成績與創(chuàng)新搭建課成績一起計算。多數情況下學生都能充分發(fā)揮自己的創(chuàng)新想象能力，設計出了珍珠打孔機、香榧篩選設備等市場上沒有的實用的設備。

這些實驗有效的打破了原來的實驗模式，為學生創(chuàng)造了一個良好的動手環(huán)境，讓學生在掌握機械設計基礎理論知識的前提下，以慧魚模型為平臺，利用慧魚模型進行機械創(chuàng)新實踐，把已學習專業(yè)理論知識實踐化、扎實化，并促進學生對理論知識的理解和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，調動了學生學習的主動性，是培養(yǎng)學生實踐能力的有效途徑。

3 結束語

通過采用慧魚創(chuàng)意組合模型在《機械設計基礎》課程教學中的應用與實踐，取得了以下效果：

（1）在理論教學過程中利用慧魚創(chuàng)意組合模型輔助教學，降低了教學與學習難度，做到了理論與實踐的統(tǒng)一，激發(fā)了學生的學習興趣，學生對理論知識的理解和掌握均有大幅提高。

（2）慧魚創(chuàng)意組合模型結合新設置的開放性創(chuàng)新綜合實驗項目，為學生創(chuàng)造了良好的實驗環(huán)境，相比于傳統(tǒng)實驗，學生的實際動手能力、解決實際問題能力和創(chuàng)新設計能力得到了提升，學生對此實踐教學環(huán)節(jié)熱情極高，學習積極主動，教學效果良好。

雖然慧魚創(chuàng)意組合模型的合理利用在《機械設計基礎》課程教學過程中取得了較好的教學效果，但是，《機械設計基礎》課程教學過程中遇到的教學問題也不是一兩套慧魚模型就可以完全解決的，要想取得更好的教學效果還需與傳統(tǒng)教學模式有機結合，并融入新的教學理念、教育技術與手段，如：3D打印技術、數字化三維建模軟件的合理利用等，通過不斷地教學改革嘗試，一定會取得更加理想的教學效果。

[1]李 慧.基于工程能力培養(yǎng)的《機械設計基礎》課程改革[J].價值工程，2016，35（24）：310-311.

[2]劉春香，劉喜平，苗淑杰.基于學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的“機械設計基礎”實踐教學改革初探[J].黑龍江科學，2014，5（12）：133.

[3]段振華，吳張永，溫成卓，等.王慶輝.基于LLWin控制的慧魚創(chuàng)意組合模型實踐應用[J].實驗室研究與探索，2013，32（01）：64-66，76.