張東升，吳其林，邵宇吉，朱治鵬，劉歡

（合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

關(guān)于“慧魚”模型在高校學(xué)生實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用中的探索

張東升，吳其林，邵宇吉，朱治鵬，劉歡

（合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

探索“慧魚”模型在高校實(shí)驗(yàn)室中的應(yīng)用以及慧魚模型的應(yīng)用情況，并以合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)生項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開展的對(duì)“慧魚”模型的使用情況為例，深入闡述了“慧魚”模型從具象到形象再到具象的過程，有效開發(fā)了學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造思維，理論與實(shí)踐結(jié)合緊密，將教學(xué)與實(shí)驗(yàn)相互融合，多層次的對(duì)學(xué)生進(jìn)行培養(yǎng)。

實(shí)驗(yàn)室；“慧魚”模型；形象；具象

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人類文明的持續(xù)進(jìn)步，傳統(tǒng)教育越來越受到局限。由于重視對(duì)學(xué)生知識(shí)的教授，重視理論教學(xué)，學(xué)生在其模式下熱衷于對(duì)知識(shí)點(diǎn)的死記硬背和應(yīng)付考試，忽略了最重要的實(shí)踐部分，這不但不利于學(xué)生的自主思考能力和解決問題的能力，而且嚴(yán)重限制了學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力。在目前教育體系下，雖大力倡導(dǎo)學(xué)生做項(xiàng)目，參與實(shí)驗(yàn)室工作中，但目前中國(guó)學(xué)生人數(shù)龐大，教師資源和實(shí)驗(yàn)室資源的限制，使得很大一部分學(xué)生沒有機(jī)會(huì)參與其中。

德國(guó)慧魚公司自1948年成立以來，已發(fā)展成聞名于世的高科技智能跨國(guó)公司，目前已有近23家子公司，“慧魚創(chuàng)意組合模型”是其公司創(chuàng)始人Artur Fischen博士在他的專利六面體拼接體的基礎(chǔ)上發(fā)揮而來?！盎埕~”模型適用于小學(xué)、中學(xué)、大學(xué)各個(gè)階段的學(xué)生學(xué)習(xí)，已作為專業(yè)教具在國(guó)外眾多高校得到青睞。國(guó)內(nèi)現(xiàn)也已有數(shù)十所理工類高校引進(jìn)了相應(yīng)產(chǎn)品。由于其靈活的應(yīng)用，天馬行空的想法均能被反映在實(shí)物上，在培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力上迅速得到認(rèn)可。

1 “慧魚”模型在高校的應(yīng)用現(xiàn)狀

“慧魚”模型作為培養(yǎng)人才投入越來越受到高校的青睞，其具有多層次的應(yīng)用，注重創(chuàng)造性思維的開發(fā)，以及研究性學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。在目前國(guó)內(nèi)高校間“慧魚”模型主要有兩種應(yīng)用方式。

很大一部分高校引進(jìn)“慧魚”模型，是將其單純作為一款教具使用。作為學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)的展示實(shí)物，依托慧魚進(jìn)行理論知識(shí)的傳授，使其理論課程遠(yuǎn)超實(shí)踐，忽視了實(shí)踐操作技能的提高，實(shí)踐教學(xué)流于形式，無法調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和創(chuàng)新性，未改變傳統(tǒng)機(jī)械課程授課的局限性。一些學(xué)校意識(shí)到這種情況，做出了改變，在授課結(jié)束后，將慧魚模型作為學(xué)生課后課程設(shè)計(jì)布置給學(xué)生。這雖起到了一些作用，但仍很難調(diào)動(dòng)學(xué)生的全部熱情和投入。這種作業(yè)形式本身使學(xué)生產(chǎn)生了抵觸心理。

另一種應(yīng)用方式是以項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)進(jìn)行，“慧魚”模型作為項(xiàng)目的基礎(chǔ)，不將“慧魚”模型當(dāng)做教具引入課程。項(xiàng)目教學(xué)中，學(xué)習(xí)過程成為一個(gè)人人參與的創(chuàng)新實(shí)踐活動(dòng)，其相對(duì)于教具教學(xué)而言注重更多的是過程，而非結(jié)果。

項(xiàng)目教學(xué)由美國(guó)工商管理碩士教育（MBA）長(zhǎng)期實(shí)踐得到了最有效的教學(xué)方法，突破了常規(guī)教學(xué)的弊端，師生在規(guī)定時(shí)間內(nèi)通過共同完成一個(gè)項(xiàng)目方案進(jìn)行教學(xué)，將理論與實(shí)踐緊密相連，學(xué)生在一定時(shí)間范圍內(nèi)，自由組隊(duì)，制定方案，確定時(shí)間節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行學(xué)習(xí)。最后由師生共同評(píng)價(jià)項(xiàng)目成果。這不僅提高了學(xué)生專業(yè)知識(shí)的迅速汲取能力，更培養(yǎng)了他們分析問題和解決問題的能力。項(xiàng)目教學(xué)作為慧魚實(shí)驗(yàn)室的實(shí)施方式更能深層次發(fā)掘“慧魚”模型的潛能。

2 “慧魚”模型的應(yīng)用

2.1 “慧魚”模型簡(jiǎn)介

作為一種六面體拼接體，通過簡(jiǎn)單的拼接完成，使用者更容易掌握其構(gòu)造和基本原理，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新。慧魚產(chǎn)品以其專業(yè)性為實(shí)驗(yàn)的開展提供了可靠保障，“慧魚”模型集教具與仿生模型于一體，總共包括七大類，即能源（包括太陽能）、機(jī)械、液壓、氣動(dòng)、遙控、總控、程控等多種學(xué)科，涵蓋機(jī)械、汽車、機(jī)器人技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域。其模型主要由組合包、培訓(xùn)模型、工業(yè)模型三大系列組成，其中組合包中就包含移動(dòng)機(jī)器人組合、工業(yè)機(jī)器人組合、啟動(dòng)系統(tǒng)組合、傳感器組合等。直接采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的基本構(gòu)件然后輔助以多種傳感器、控制器、執(zhí)行器和相應(yīng)的軟件進(jìn)行自由配合，學(xué)生在使用過程中可自由組合，充分發(fā)揮所想，進(jìn)行各種有創(chuàng)意的設(shè)計(jì)和裝配。

2.2 “慧魚”模型具象到形象過程

“慧魚”模型多種多樣的機(jī)械零件鏈條、聯(lián)桿、齒軸、齒輪（普通齒輪、斜齒輪、錐齒輪、外嚙合齒輪、內(nèi)嚙合齒輪）、齒條、凸輪、蝸輪、蝸桿、彈簧、萬向節(jié)、曲軸、齒輪箱、差速器、鉸鏈等；其驅(qū)動(dòng)裝置主要為電機(jī)驅(qū)動(dòng)與氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)；同時(shí)輔助的各種類型傳感器：如感光傳感器、接觸傳感器、熱傳感器、磁性傳感器和紅外線發(fā)射接收裝置等?；埕~公司提供的裝配手冊(cè)有許多專業(yè)示例，學(xué)生按照裝配手冊(cè)規(guī)范操作即可制作出機(jī)械模型，譬如機(jī)械手、叉手、旋轉(zhuǎn)機(jī)器人、氣動(dòng)機(jī)器人等。具體實(shí)物對(duì)學(xué)生進(jìn)行第一步的印象，創(chuàng)新不會(huì)憑空發(fā)生，思維是基于一定的外部刺激而產(chǎn)生的，“慧魚”模型基于具體的實(shí)物，由物及腦，通過對(duì)零件的認(rèn)知，進(jìn)而學(xué)習(xí)相關(guān)的理論知識(shí)。具象是形象的基礎(chǔ)，具象是形象所憑借的主觀和客觀映像資料。具象最重要的特點(diǎn)即直接體驗(yàn)性，依托于實(shí)物為載體，通過對(duì)具象思維的加工即形成了我們所說的經(jīng)驗(yàn)。具象到形象即為學(xué)習(xí)的過程，基礎(chǔ)儲(chǔ)備和知識(shí)儲(chǔ)備的階段，“慧魚”模型很好地契合了這一點(diǎn)。

2.3 “慧魚”模型形象到具象過程

以“慧魚”模型為基礎(chǔ)，熟練掌握基礎(chǔ)課程：機(jī)械制圖能力、空間想象能力、機(jī)械運(yùn)動(dòng)原理等，專業(yè)課程：機(jī)械、控制、計(jì)算機(jī)軟硬件應(yīng)用等。此外除了專業(yè)知識(shí)的掌握，作為一名理工科工程師，其實(shí)踐和工程意識(shí)是必不可少的。這種意識(shí)的培養(yǎng)主要取決于金工實(shí)習(xí)、企業(yè)實(shí)習(xí)等各類實(shí)習(xí)。目前各種實(shí)習(xí)由于學(xué)校經(jīng)費(fèi)少或者實(shí)習(xí)單位限制等原因造成學(xué)生實(shí)習(xí)時(shí)間短，動(dòng)手機(jī)會(huì)少，學(xué)生很難從中對(duì)各種機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)構(gòu)造、運(yùn)動(dòng)原理有詳盡透徹地理解?！盎埕~”模型所具有的全方面的機(jī)械軟硬件為學(xué)生從圖紙到實(shí)物、從思想到實(shí)踐提供很好的平臺(tái)，可以以其為基礎(chǔ)，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室常見的設(shè)備（如計(jì)算機(jī)、PLC、單片機(jī)等），運(yùn)用各種控制方式，結(jié)合常見的零部件搭建各種加工機(jī)床（如數(shù)控鉆床、數(shù)控銑床、數(shù)控車床等），進(jìn)行模擬。

形象與具象的區(qū)別即在于表象與物象，物象通過思維的加工轉(zhuǎn)換成表象，形成我們的記憶即經(jīng)驗(yàn)，我們通過對(duì)慧魚基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)，積累知識(shí)，收集經(jīng)驗(yàn)。思維自然得到擴(kuò)展，在此基礎(chǔ)之上根據(jù)現(xiàn)有的模型進(jìn)行合理科學(xué)地改進(jìn)，從而發(fā)揮創(chuàng)造力和想象力，依據(jù)知識(shí)和實(shí)際應(yīng)用創(chuàng)造出新的模型。

3 “慧魚”模型產(chǎn)品示例——基于“慧魚”模型的可變距探測(cè)機(jī)器人

以實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目合作方式進(jìn)行，首先組建了學(xué)生團(tuán)隊(duì)成員，共四人，分工協(xié)作，兩人負(fù)責(zé)機(jī)器人電控系統(tǒng)，兩人負(fù)責(zé)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)方案流程：確定整理設(shè)計(jì)方案——建立數(shù)學(xué)模型——硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)——軟件程序控制設(shè)計(jì)——電路仿真與實(shí)物模擬。探測(cè)機(jī)器人主要有主體部件、輪距變化機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、舵機(jī)云臺(tái)機(jī)構(gòu)、無線遙控模塊、電源模塊等組成。本設(shè)計(jì)為了提高探測(cè)機(jī)器人的靈活性，因此采用兩輪支撐，并配合輪距變化機(jī)構(gòu)。兩個(gè)輪子都是支撐輪同時(shí)也是驅(qū)動(dòng)輪，車輛直接和步進(jìn)電機(jī)相連，通過L298N對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退，變轉(zhuǎn)彎半徑轉(zhuǎn)向等功能。采用輪距變化機(jī)構(gòu)可改變輪距，適應(yīng)空間狹小而大角度轉(zhuǎn)向的工作環(huán)境，提高機(jī)器人的通過性和適應(yīng)性。舵機(jī)云臺(tái)上可安裝探測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的探測(cè)功能。采用無線遙控模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，通過按鍵向單片機(jī)發(fā)送運(yùn)行指令。

考慮“慧魚”模型零件的標(biāo)準(zhǔn)性在進(jìn)行慧魚實(shí)物制作前，探測(cè)機(jī)器人運(yùn)用matlab建立轉(zhuǎn)向模型，確定轉(zhuǎn)向半徑，使其及時(shí)使用慧魚零件也適用于機(jī)器人的使用情況；通過受力計(jì)算選取合理選取驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)中的電機(jī)裝置，我們發(fā)現(xiàn)“慧魚”模型的電機(jī)裝置太大太過笨重，我們大膽舍棄選擇了減速比為1∶11的35YF22GN030R電機(jī)作為變距電機(jī)，采用35YF22GN作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，采用9G高精度舵機(jī)二自由度視頻云臺(tái)作為云臺(tái)升降控制電機(jī)。機(jī)器人主體結(jié)構(gòu)采用“慧魚”模型零件，其動(dòng)力結(jié)構(gòu)輸出路徑為：變距電機(jī)→聯(lián)軸器→錐齒輪→蝸桿→蝸桿套→金屬棒→連接件→驅(qū)動(dòng)電機(jī)；輪距變化機(jī)構(gòu)中采用渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)，其相對(duì)傳動(dòng)比較大且輸出平穩(wěn)。采用“慧魚”模型零件的同時(shí)，我們?nèi)谌肓俗约涸O(shè)計(jì)部分的非標(biāo)準(zhǔn)件，探測(cè)機(jī)器人的輪子結(jié)構(gòu)通過數(shù)銑ABS復(fù)合材料得到，ABS復(fù)合材料與“慧魚”模型采用的優(yōu)質(zhì)尼龍材料同樣具有很好的韌性和較輕的質(zhì)量，與“慧魚”模型材料相互搭配得到了很好的效果。采用C語言編程對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，主要功能模塊是變距電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的加減速、正反轉(zhuǎn)控制，舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)。

4 結(jié)語

“慧魚”模型從具象到形象再到具象的過程有效開發(fā)了學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)造思維，實(shí)現(xiàn)了理論與實(shí)踐的結(jié)合緊密?！盎埕~”模型將教學(xué)與實(shí)驗(yàn)相互融合，多層次的對(duì)學(xué)生進(jìn)行教學(xué)培養(yǎng)，打破了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與教學(xué)方式。其相對(duì)動(dòng)輒上百萬的實(shí)驗(yàn)設(shè)備具有明顯的優(yōu)勢(shì)，為學(xué)生創(chuàng)造了良好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境?；埕~產(chǎn)品作為實(shí)驗(yàn)室用具是一個(gè)很好的項(xiàng)目，并且以項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的方式開展的“慧魚”模型的應(yīng)用取得了很好的效果。

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G642.4

A

1671-0711（2016）07（上）-0073-02

合肥工業(yè)大學(xué)2014年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助（201410359007）。