范興鐸，應(yīng)偉軍，李映平

（浙江農(nóng)林大學(xué)暨陽(yáng)學(xué)院，浙江 諸暨311800）

0 引言

機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是高等工科學(xué)校里面機(jī)械類(lèi)和近機(jī)械類(lèi)必開(kāi)的一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課和主干課，主要講授機(jī)械設(shè)備中常用機(jī)構(gòu)的工作機(jī)理、機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新組合設(shè)計(jì)應(yīng)用，以及常用典型機(jī)械零部件的材料、參數(shù)選擇及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等基本內(nèi)容，解決的是機(jī)械裝備設(shè)計(jì)中方案和技術(shù)設(shè)計(jì)階段的問(wèn)題[1]。該課是后續(xù)專(zhuān)業(yè)課的基石，并且與工程實(shí)際聯(lián)系緊密，實(shí)踐性較強(qiáng)，通過(guò)該課程的學(xué)習(xí)學(xué)生應(yīng)具備通用設(shè)備的設(shè)計(jì)、使用及管理維護(hù)能力，是培養(yǎng)應(yīng)用型本科技術(shù)人員的重要課程。

從涉及到的知識(shí)點(diǎn)來(lái)看，《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》基本上是由《機(jī)械原理》與《機(jī)械設(shè)計(jì)》兩門(mén)課刪減掉一些章節(jié)后濃縮的一門(mén)課，所要掌握的知識(shí)量大面廣，課程內(nèi)容涉及到生產(chǎn)實(shí)踐中的許多設(shè)備和零件，學(xué)生缺乏相關(guān)工程知識(shí)背景及閱歷[2]。此外在多數(shù)近機(jī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生看來(lái)，《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程不是他們的專(zhuān)業(yè)骨干課，因此不愿意投入太多精力。知識(shí)量大、工程背景缺失、非專(zhuān)業(yè)骨干課程等因素導(dǎo)致大部分學(xué)生學(xué)習(xí)積極性差，如何使近機(jī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生既能輕松地獲得更多更有效的知識(shí)信息，又能產(chǎn)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的欲望，是教育教學(xué)改革誠(chéng)待解決的問(wèn)題。

慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型簡(jiǎn)稱(chēng)“慧魚(yú)”系，是德國(guó)Arthur－Fischer博士的專(zhuān)利“六面拼接體”基礎(chǔ)上發(fā)明的工程技術(shù)類(lèi)智趣拼裝模型，具有擴(kuò)展性、啟發(fā)性強(qiáng)，覆蓋科學(xué)知識(shí)領(lǐng)域廣等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科研創(chuàng)新和生產(chǎn)實(shí)際等方面?；埕~(yú)創(chuàng)意組合模型通過(guò)各種各樣的構(gòu)件（功能模塊）組合拼裝而成，主要構(gòu)件采用優(yōu)質(zhì)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(shí)現(xiàn)六面拼接、多次拆裝和反復(fù)使用[3]?；埕~(yú)模型的組合包包括大量常用的機(jī)械零件，如連桿（見(jiàn)圖1）、齒輪、凸輪、帶輪、鏈輪、軸、絲杠（見(jiàn)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(shí)現(xiàn)各種常用機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)。

圖1 慧魚(yú)連桿

圖2 慧魚(yú)絲杠

針對(duì)《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課堂教學(xué)所面臨的一系列問(wèn)題，結(jié)合慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型的特點(diǎn)，本文對(duì)汽車(chē)服務(wù)專(zhuān)業(yè)《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程的理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)進(jìn)行了一系列課堂教學(xué)改革，將慧魚(yú)模型創(chuàng)新性的應(yīng)用到理論與實(shí)踐教學(xué)中，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和熱情，提升教學(xué)質(zhì)量，取得了滿(mǎn)意的成效。

1 慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型在理論教學(xué)環(huán)節(jié)的應(yīng)用

慧魚(yú)組合模型體積小，重量輕，攜帶方便，適合作為教具輔助教學(xué)，在理論教學(xué)環(huán)節(jié)所在課題組主要進(jìn)行了三項(xiàng)改革應(yīng)用，包括課堂展示理論驗(yàn)證、結(jié)合網(wǎng)絡(luò)課程采用“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式和開(kāi)設(shè)創(chuàng)新搭建課。整個(gè)的學(xué)習(xí)過(guò)程中學(xué)生能夠參與課程教學(xué)，實(shí)踐驗(yàn)證理論，這樣不僅能增加課堂教學(xué)的趣味性，還能加深學(xué)生的感性認(rèn)識(shí)。

1.1 課堂展示理論驗(yàn)證

教師在課堂教學(xué)前，根據(jù)教學(xué)需要搭建好慧魚(yú)模型，在課堂上分發(fā)給同學(xué)們，在講授完理論部分知識(shí)后，讓學(xué)生操控模型進(jìn)行驗(yàn)證。該種教學(xué)方式主要應(yīng)用到間歇機(jī)構(gòu)、平面連桿機(jī)構(gòu)、定軸輪系、周轉(zhuǎn)輪系等機(jī)械結(jié)構(gòu)原理部分的知識(shí)點(diǎn)，學(xué)生通過(guò)操作模型獲得感性認(rèn)識(shí)，加強(qiáng)知識(shí)點(diǎn)的理解和記憶，解決了學(xué)生缺乏相關(guān)工程知識(shí)背景及閱歷，不知道老師所講授的常見(jiàn)機(jī)構(gòu)具體是怎樣組成、如何工作的問(wèn)題。如在講授間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)知識(shí)點(diǎn)時(shí)，提前搭建好棘輪機(jī)構(gòu)、槽輪機(jī)構(gòu)、凸輪（圖3）間歇運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等常用間歇機(jī)構(gòu)，在講授過(guò)程中讓學(xué)生操作這些機(jī)構(gòu)，了解間歇機(jī)構(gòu)主要由那些構(gòu)件組成，如何實(shí)現(xiàn)的不連續(xù)動(dòng)作，并比較各種機(jī)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)；在輪系部分搭建好周轉(zhuǎn)輪系與定軸輪系，在模型的幫助下學(xué)生可以很輕松的弄明白定軸輪系（圖4）與周轉(zhuǎn)輪系（圖5）結(jié)構(gòu)上的異同，以及反轉(zhuǎn)法在周轉(zhuǎn)輪系自由度的計(jì)算中的應(yīng)用，輪系中各齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向的判別等知識(shí)點(diǎn)。

圖3 凸輪機(jī)構(gòu)

圖4 定軸輪系

圖5 周轉(zhuǎn)輪系

1.2 結(jié)合網(wǎng)絡(luò)課程采用“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式

在教師的指導(dǎo)下學(xué)生在課堂上搭建滿(mǎn)足教師要求的慧魚(yú)組合模型，并討論分析機(jī)構(gòu)特點(diǎn)，進(jìn)行探討式理論教學(xué)。該種教學(xué)模式主要應(yīng)用于理論性相對(duì)較少工程背景較強(qiáng)的知識(shí)點(diǎn)，主要有機(jī)構(gòu)自由度的計(jì)算、平面連桿機(jī)構(gòu)的分類(lèi)、螺紋連接的防松、帶傳動(dòng)的打滑及彈性滑動(dòng)以及鏈傳動(dòng)的張緊、軸與軸承等軸系結(jié)構(gòu)的配合設(shè)計(jì)等。兩節(jié)課的時(shí)間相對(duì)較短，不能要求學(xué)生搭建過(guò)于復(fù)雜的機(jī)構(gòu)，也不能涉及太多知識(shí)點(diǎn)，主要通過(guò)分組分知識(shí)點(diǎn)搭建的方式，老師在上課時(shí)根據(jù)知識(shí)點(diǎn)的難易程度選擇3～5個(gè)知識(shí)點(diǎn)分配，每個(gè)知識(shí)點(diǎn)分配給2～3個(gè)小組，一般3～5人一組，利用一節(jié)課的時(shí)間每組搭建一個(gè)知識(shí)點(diǎn)的機(jī)構(gòu)，并討論如何講授該知識(shí)點(diǎn)，為第二節(jié)課答辯做準(zhǔn)備。第二節(jié)課通過(guò)抽簽答辯的方式，在每個(gè)知識(shí)點(diǎn)的小組中抽出一組演示并講授所搭建模型涉及的知識(shí)點(diǎn)，回答其他同學(xué)的提問(wèn)，每組10 min左右，最后老師總結(jié)并回答同學(xué)解釋不清的問(wèn)題。答辯成績(jī)計(jì)入平時(shí)成績(jī)，平時(shí)成績(jī)占期末總成績(jī)40%.

如在講授平面連桿機(jī)構(gòu)的基本類(lèi)型及其應(yīng)用知識(shí)點(diǎn)時(shí)，采用“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式，教師課前分配鉸鏈四桿機(jī)構(gòu)、含有移動(dòng)副的四桿機(jī)構(gòu)、具有偏心輪的四桿機(jī)構(gòu)3個(gè)知識(shí)點(diǎn)并指導(dǎo)學(xué)生在學(xué)校網(wǎng)絡(luò)課堂上自學(xué)有關(guān)理論知識(shí)，在上課時(shí)為每個(gè)知識(shí)點(diǎn)分配3個(gè)小組，每組3～4人，利用1節(jié)課的時(shí)間指導(dǎo)學(xué)生利用慧魚(yú)模型搭建出雙曲柄、雙搖桿、曲柄搖桿、曲柄滑塊、導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)、搖塊機(jī)構(gòu)、定塊機(jī)構(gòu)等體現(xiàn)上述三個(gè)知識(shí)點(diǎn)的平面連桿機(jī)構(gòu)，搭建的同時(shí)完成后期答辯的準(zhǔn)備工作，搭建完成后抽簽讓學(xué)生負(fù)責(zé)演示并分析所搭機(jī)構(gòu)特點(diǎn)。利用網(wǎng)絡(luò)課堂為載體、結(jié)合“翻轉(zhuǎn)課堂”教學(xué)模式、以慧魚(yú)組合模型為教具進(jìn)行探討式理論教學(xué)，該種教學(xué)改革深受學(xué)生歡迎，取得了理想的教學(xué)成果，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性得到大幅提升，該專(zhuān)業(yè)多名考研學(xué)生選《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課為考研專(zhuān)業(yè)課，并取得了理想的考研成績(jī)。

1.3 開(kāi)設(shè)創(chuàng)新搭建課

為了使學(xué)生形成完整的知識(shí)體系并加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，在常用機(jī)構(gòu)部分的教學(xué)任務(wù)完成后，安排2個(gè)學(xué)時(shí)的創(chuàng)新搭建課程，來(lái)回顧前期所學(xué)并進(jìn)行創(chuàng)新應(yīng)用。因前期的課堂展示以及翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)模式的應(yīng)用，學(xué)生已經(jīng)熟悉慧魚(yú)模型的組成及搭建方法，且已學(xué)完相關(guān)理論知識(shí)點(diǎn)，故創(chuàng)新搭建課主要考查知識(shí)的綜合應(yīng)用以及創(chuàng)新應(yīng)用，從模型的功能新穎性（25%）、實(shí)用性（15%）、機(jī)構(gòu)創(chuàng)新性（25%）、合理性（20%）、功能的實(shí)現(xiàn)（15%）5個(gè)方面計(jì)算成績(jī)。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(xué)生4～5人一組，自由組隊(duì)，綜合應(yīng)用所學(xué)完成一款實(shí)用設(shè)備的設(shè)計(jì)，主題不限，但要求該設(shè)備必須具備一種創(chuàng)新性實(shí)用功能。在前期理論學(xué)習(xí)過(guò)程中完成原理方案的設(shè)計(jì)，在創(chuàng)新搭建課上用慧魚(yú)組合模型搭建實(shí)現(xiàn)，原理方案設(shè)計(jì)期間可以找老師討論方案的可行性。該教學(xué)環(huán)節(jié)的實(shí)用性及創(chuàng)新要求，貫徹了學(xué)以致用的教學(xué)理念，滿(mǎn)足了加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力培養(yǎng)的教學(xué)要求。教師在此教學(xué)環(huán)節(jié)中承擔(dān)輔助性工作，盡量誘發(fā)出學(xué)生的創(chuàng)新活力。該教學(xué)環(huán)節(jié)的實(shí)施取得了理想的教學(xué)成果，學(xué)生設(shè)計(jì)出了很多種富有創(chuàng)意且實(shí)用的設(shè)備，如導(dǎo)桿機(jī)構(gòu)組成的山核桃采摘設(shè)備、節(jié)約場(chǎng)地的立體式停車(chē)場(chǎng)設(shè)備、無(wú)死角汽車(chē)雨刷設(shè)備等；還有的小組設(shè)計(jì)出了多機(jī)構(gòu)多功能設(shè)備，如圖6為學(xué)生設(shè)計(jì)的一款便攜式多功能護(hù)理裝置，由連桿機(jī)構(gòu)、絲桿機(jī)構(gòu)、雙滑塊機(jī)構(gòu)等多種機(jī)構(gòu)組成，具有起背、翻身、報(bào)警、曲腿、腿部按摩等功能，利用慧魚(yú)機(jī)構(gòu)模擬完成了原理方案，驗(yàn)證了機(jī)構(gòu)的可行性，然后加工出了實(shí)際設(shè)備樣機(jī)，該設(shè)備還獲得了浙江省大學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)競(jìng)賽省獎(jiǎng)，并獲得專(zhuān)利授權(quán)。

圖6 便攜式多功能護(hù)理裝置

2 慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)的應(yīng)用

目前的機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課項(xiàng)目多為演示驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，缺乏綜合性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，慧魚(yú)組合模型的無(wú)限拼接特性為設(shè)計(jì)綜合性創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)提供了工具，筆者所在課題組共設(shè)計(jì)了兩大類(lèi)創(chuàng)新性試驗(yàn)。

一類(lèi)是優(yōu)化機(jī)構(gòu)選用組合實(shí)驗(yàn)。學(xué)生3人/組分組完成，利用2節(jié)課的時(shí)間搭建完成如下實(shí)驗(yàn)：在600mm×600mm的實(shí)驗(yàn)面板的左邊安裝一個(gè)電機(jī)，在面板右邊安裝一個(gè)滑塊，要求電機(jī)通過(guò)一系列的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換后驅(qū)動(dòng)滑塊在規(guī)定行程內(nèi)實(shí)現(xiàn)往復(fù)移動(dòng)；或者是把一個(gè)物塊從左上角運(yùn)送到左下角，實(shí)驗(yàn)板上畫(huà)出中心點(diǎn)、每邊中點(diǎn)以及四個(gè)角點(diǎn)9個(gè)特殊點(diǎn)，再畫(huà)出10個(gè)隨意位置的一般點(diǎn)，要求該物塊必須經(jīng)過(guò)指定的6個(gè)點(diǎn)。學(xué)生的任務(wù)是自主設(shè)計(jì)中間的傳動(dòng)部分，規(guī)定傳動(dòng)部分中必須包含平面連桿機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、齒輪機(jī)構(gòu)、帶傳動(dòng)或鏈傳動(dòng)、間歇機(jī)構(gòu)等常用機(jī)構(gòu)的3種以上。評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)為功能原理方案的合理性及創(chuàng)新性。該實(shí)驗(yàn)既用到了本課程前半部分的機(jī)械原理知識(shí)，又用到了軸、螺栓連接件、軸承等后半部分的機(jī)械設(shè)計(jì)知識(shí)，綜合性比較強(qiáng)，主要考查學(xué)生機(jī)構(gòu)創(chuàng)新選用以及知識(shí)點(diǎn)的綜合應(yīng)用能力。

另一類(lèi)是開(kāi)放性完成預(yù)定功能組合創(chuàng)新工程實(shí)驗(yàn)。該類(lèi)實(shí)驗(yàn)要求與創(chuàng)新搭建課組合完成，因創(chuàng)新搭建課只有2個(gè)學(xué)時(shí)的搭建時(shí)間，如果有小組希望能夠搭建復(fù)雜的設(shè)備，需要更多時(shí)間，可以參加該類(lèi)實(shí)驗(yàn)，利用實(shí)驗(yàn)時(shí)間先行搭建部分結(jié)構(gòu)，參加該類(lèi)實(shí)驗(yàn)的小組的創(chuàng)新搭建課考核要求有所提高，所搭建設(shè)備必須能夠?qū)崿F(xiàn)相對(duì)復(fù)雜完善的功能，不能再是單一功能的簡(jiǎn)單設(shè)備，實(shí)驗(yàn)成績(jī)與創(chuàng)新搭建課成績(jī)一起計(jì)算。多數(shù)情況下學(xué)生都能充分發(fā)揮自己的創(chuàng)新想象能力，設(shè)計(jì)出了珍珠打孔機(jī)、香榧篩選設(shè)備等市場(chǎng)上沒(méi)有的實(shí)用的設(shè)備。

這些實(shí)驗(yàn)有效的打破了原來(lái)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，為學(xué)生創(chuàng)造了一個(gè)良好的動(dòng)手環(huán)境，讓學(xué)生在掌握機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)理論知識(shí)的前提下，以慧魚(yú)模型為平臺(tái)，利用慧魚(yú)模型進(jìn)行機(jī)械創(chuàng)新實(shí)踐，把已學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)實(shí)踐化、扎實(shí)化，并促進(jìn)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，是培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的有效途徑。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)采用慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型在《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程教學(xué)中的應(yīng)用與實(shí)踐，取得了以下效果：

（1）在理論教學(xué)過(guò)程中利用慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型輔助教學(xué)，降低了教學(xué)與學(xué)習(xí)難度，做到了理論與實(shí)踐的統(tǒng)一，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握均有大幅提高。

（2）慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型結(jié)合新設(shè)置的開(kāi)放性創(chuàng)新綜合實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，為學(xué)生創(chuàng)造了良好的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，相比于傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生的實(shí)際動(dòng)手能力、解決實(shí)際問(wèn)題能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力得到了提升，學(xué)生對(duì)此實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)熱情極高，學(xué)習(xí)積極主動(dòng)，教學(xué)效果良好。

雖然慧魚(yú)創(chuàng)意組合模型的合理利用在《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程教學(xué)過(guò)程中取得了較好的教學(xué)效果，但是，《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程教學(xué)過(guò)程中遇到的教學(xué)問(wèn)題也不是一兩套慧魚(yú)模型就可以完全解決的，要想取得更好的教學(xué)效果還需與傳統(tǒng)教學(xué)模式有機(jī)結(jié)合，并融入新的教學(xué)理念、教育技術(shù)與手段，如：3D打印技術(shù)、數(shù)字化三維建模軟件的合理利用等，通過(guò)不斷地教學(xué)改革嘗試，一定會(huì)取得更加理想的教學(xué)效果。

[1]李 慧.基于工程能力培養(yǎng)的《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程改革[J].價(jià)值工程，2016，35（24）：310-311.

[2]劉春香，劉喜平，苗淑杰.基于學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的“機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)”實(shí)踐教學(xué)改革初探[J].黑龍江科學(xué)，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(yú)創(chuàng)意組合模型實(shí)踐應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013，32（01）：64-66，76.