機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)中思維可視化技術(shù)的應(yīng)用探討

呂方梅　王新華　黃一晴　沈景鳳

摘要：分析現(xiàn)代化教學(xué)方式下機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)的新特點(diǎn)，提出應(yīng)用思維可視化的理論和技術(shù)輔助機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)。應(yīng)用可視化軟件工具建立了機(jī)械設(shè)計(jì)課程的思維導(dǎo)圖，以減速箱設(shè)計(jì)為例建立了機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程的思維導(dǎo)圖。教學(xué)實(shí)踐證明該方法對(duì)提高課程教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力有效。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)；思維可視化；思維導(dǎo)圖

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）04-0270-02

機(jī)械設(shè)計(jì)是高等學(xué)校工科機(jī)類、近機(jī)類專業(yè)學(xué)生的一門重要技術(shù)基礎(chǔ)課。在工科專業(yè)學(xué)生的本科學(xué)習(xí)階段，該課程起著由基礎(chǔ)課程到專業(yè)課程的過(guò)渡作用。通過(guò)對(duì)該課程的學(xué)習(xí)不但使學(xué)生掌握發(fā)通用零件的具體設(shè)計(jì)計(jì)算方法，而且還掌握了常用機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，更重要的是培養(yǎng)了學(xué)生靈活應(yīng)用基礎(chǔ)理論知識(shí)解決工程實(shí)際問(wèn)題的能力以及機(jī)械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力[1，2]。

一、機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)的新特點(diǎn)

機(jī)械設(shè)計(jì)課程的知識(shí)體系龐雜，其本身內(nèi)容豐富，包括傳動(dòng)、聯(lián)結(jié)、軸系零部件、其他零部件等多種常用零部件設(shè)計(jì)，素有“三多三難”的特點(diǎn)，即“內(nèi)容多，難掌握；零件類型多，設(shè)計(jì)方法難統(tǒng)一；參數(shù)、公式、圖表多，難記憶”。另外，與其他學(xué)科關(guān)系緊密，與力學(xué)、工程材料、公差配合、制造工藝、設(shè)計(jì)方法學(xué)、摩擦學(xué)等領(lǐng)域知識(shí)交叉貫穿。機(jī)械設(shè)計(jì)課程的應(yīng)用性和實(shí)踐性較強(qiáng)，對(duì)知識(shí)的掌握屬于非應(yīng)試型，強(qiáng)調(diào)在實(shí)踐中培養(yǎng)學(xué)生的工程思維方式與創(chuàng)新能力。

信息化技術(shù)的高速發(fā)展及高校教育的改革推動(dòng)著機(jī)械設(shè)計(jì)課程的教學(xué)改革，教學(xué)方法和手段更加先進(jìn)。例如，電子教案的使用使課堂教學(xué)包含了更大的知識(shí)容量；計(jì)算機(jī)輔助動(dòng)畫制作把機(jī)械工作原理和運(yùn)動(dòng)進(jìn)程以更加生動(dòng)形象的效果展示給學(xué)生；計(jì)算機(jī)輔助分析為設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)；網(wǎng)絡(luò)化課堂為課程提供了第二課堂和師生互動(dòng)的平臺(tái)。教學(xué)方法與手段的先進(jìn)性為機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)帶來(lái)了提升，但也產(chǎn)生了一些弊端。首先，教學(xué)容量增加和教學(xué)時(shí)數(shù)縮減的矛盾促使整個(gè)教學(xué)節(jié)奏加快。為完成教學(xué)進(jìn)度，課堂教學(xué)變成了一種“填充式”教學(xué)，學(xué)生的學(xué)習(xí)不得不成為一種“速食學(xué)習(xí)”。這導(dǎo)致教學(xué)模式更傾向于“感知記憶”層面，學(xué)生“學(xué)得多，忘得快”，對(duì)知識(shí)的掌握浮于表面，難以深入知識(shí)背后的聯(lián)系以建立知識(shí)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。其次，應(yīng)試教育模式導(dǎo)致授課過(guò)程中教師忽略學(xué)生能力的培養(yǎng)，缺少思維訓(xùn)練過(guò)程，學(xué)習(xí)變成一種死讀書，不符合機(jī)械設(shè)計(jì)課程的認(rèn)知特點(diǎn)。

思維可視化技術(shù)把看不見(jiàn)的思維過(guò)程和方法以可視化的形式清晰地呈現(xiàn)出來(lái)。本文在機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)中引入思維可視化技術(shù)，不但有利于學(xué)生建立系統(tǒng)的知識(shí)結(jié)構(gòu)，而且有助于培養(yǎng)學(xué)生的工程思維與創(chuàng)新能力。

二、機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)中思維可視化技術(shù)的應(yīng)用

思維可視化是指將不可見(jiàn)的思維路徑、方式、規(guī)律運(yùn)用圖示或圖示組合的方式呈現(xiàn)出來(lái)，其本質(zhì)是隱性思維顯性化的過(guò)程。實(shí)現(xiàn)“思維可視化”的技術(shù)主要包括思維導(dǎo)圖、流程圖、概念圖等圖示技術(shù)和相應(yīng)的軟件技術(shù)。其中，思維導(dǎo)圖是由英國(guó)托尼·巴贊于20世紀(jì)60年代提出的。它從一個(gè)主題開(kāi)始，對(duì)彼此間有關(guān)聯(lián)的信息進(jìn)行分層、分類管理，逐步建立一個(gè)有序的發(fā)散思維圖，對(duì)思維過(guò)程進(jìn)行導(dǎo)向和記錄[3]。

1.建立機(jī)械設(shè)計(jì)課程內(nèi)容體系的思維導(dǎo)圖。本文應(yīng)用可視化技術(shù)建立機(jī)械設(shè)計(jì)課程的思維導(dǎo)圖，實(shí)現(xiàn)課程知識(shí)結(jié)構(gòu)圖像化。例如，在講授標(biāo)準(zhǔn)齒輪的幾何尺寸計(jì)算內(nèi)容時(shí)，出現(xiàn)大量齒輪幾何參數(shù)名稱及尺寸計(jì)算公式，學(xué)生往往感到參數(shù)繁多，公式難以掌握。按照多向思維，從徑向和周向兩個(gè)方向?qū)X輪參數(shù)和尺寸進(jìn)行分類，可以使問(wèn)題簡(jiǎn)化，并建立圖1所示的齒輪機(jī)構(gòu)幾何參數(shù)和尺寸思維導(dǎo)圖。對(duì)于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)漸開(kāi)線外齒輪，齒輪上有4個(gè)圓，分別是齒頂圓、齒根圓、分度圓、基圓；有一個(gè)角，即壓力角。以分度圓作為重要的基準(zhǔn)圓，分別沿著徑向和周向兩個(gè)方向描述圓的幾何參數(shù)，徑向上有分度圓直徑（和半徑）、齒頂圓直徑（和半徑）、齒根圓直徑（和半徑）、基圓直徑（和半徑）以及齒頂高、齒根高等尺寸，周向上各圓有齒距（或周節(jié)）、齒厚、齒槽寬等尺寸。而對(duì)于一對(duì)標(biāo)準(zhǔn)漸開(kāi)線外嚙合齒輪，除了每個(gè)齒輪上的4個(gè)圓，多出一對(duì)相切節(jié)圓和一條嚙合線。因此，沿徑向方向多了節(jié)圓直徑（和半徑）、中心距，沿周向方向多了節(jié)圓的齒距（或周節(jié)）、齒厚、齒槽寬，此外，還有描述嚙合線位置的嚙合角。學(xué)生參考思維導(dǎo)圖對(duì)比學(xué)習(xí)就很容易理解和記憶這些知識(shí)了。

又如，機(jī)械設(shè)計(jì)課程整體體系的思維導(dǎo)圖使得學(xué)生從宏觀層面建立了機(jī)械設(shè)計(jì)課程比較系統(tǒng)的理論框架，了解了與其他課程內(nèi)容的聯(lián)系紐帶，而各章節(jié)基本內(nèi)容和重點(diǎn)知識(shí)的思維導(dǎo)圖，便于學(xué)生進(jìn)行知識(shí)梳理，從而提高了機(jī)械設(shè)計(jì)課程學(xué)習(xí)效率。比如學(xué)習(xí)“齒輪機(jī)構(gòu)”這章內(nèi)容時(shí)，由于概念多、公式多，齒輪嚙合運(yùn)動(dòng)特性復(fù)雜，加之齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算公式復(fù)雜，學(xué)生普遍感到知識(shí)容量大，掌握起來(lái)困難。對(duì)直齒輪、斜齒輪、圓錐齒輪、渦輪蝸桿機(jī)構(gòu)和傳動(dòng)建立思維導(dǎo)圖，學(xué)生對(duì)照思維導(dǎo)圖采用類比思維來(lái)學(xué)習(xí)就容易多了。思維導(dǎo)圖架構(gòu)機(jī)械設(shè)計(jì)各知識(shí)群之間的樞紐，呈現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)之間的內(nèi)在聯(lián)系，幫助學(xué)生更好地掌握知識(shí)脈絡(luò)，提高教學(xué)效果。

2.基于思維導(dǎo)圖的機(jī)械設(shè)計(jì)思維訓(xùn)練。思維導(dǎo)圖符合人腦的思維模式，有利于發(fā)散思維的展開(kāi)，可以有效地引導(dǎo)設(shè)計(jì)者的思考順利進(jìn)行。在機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中，借助思維導(dǎo)圖描述幫助創(chuàng)新思維的深入展開(kāi)。例如，在減速箱的設(shè)計(jì)過(guò)程中，讓學(xué)生把設(shè)計(jì)步驟、參數(shù)和結(jié)構(gòu)按照工程邏輯用思維導(dǎo)圖表示出來(lái)，一邊設(shè)計(jì)思考一邊做出圖2所示的思維導(dǎo)圖，可以輔助設(shè)計(jì)過(guò)程順利完成。機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)中，應(yīng)用思維導(dǎo)圖可以培養(yǎng)機(jī)械設(shè)計(jì)的工程邏輯思維和創(chuàng)造性思維。

三、總結(jié)

思維可視化描述方法符合機(jī)械設(shè)計(jì)課程的認(rèn)知心理學(xué)特點(diǎn)和工程設(shè)計(jì)的邏輯思維，可以更好地提高教師的課堂教學(xué)實(shí)效，不但有利于學(xué)生高效掌握課程知識(shí)體系，而且有利于培養(yǎng)學(xué)生的工程邏輯思維和創(chuàng)造性思維。作為機(jī)械設(shè)計(jì)課程教學(xué)改革的嘗試，實(shí)踐證明，在機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)中應(yīng)用思維導(dǎo)圖技術(shù)有效提高了教學(xué)質(zhì)量，增強(qiáng)了教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].第八版.北京：高等教育出版社，2006.

[2]楊可楨.機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].第五版.北京：高等教育出版社，2007：5.

[3]博贊.思維導(dǎo)圖[M].曉榭，譯.北京：中信出版社，2011.endprint