關于“慧魚”模型在高校學生實驗室應用中的探索

張東升，吳其林，邵宇吉，朱治鵬，劉歡

（合肥工業(yè)大學機械工程學院，安徽 合肥 230009）

關于“慧魚”模型在高校學生實驗室應用中的探索

張東升，吳其林，邵宇吉，朱治鵬，劉歡

（合肥工業(yè)大學機械工程學院，安徽 合肥 230009）

探索“慧魚”模型在高校實驗室中的應用以及慧魚模型的應用情況，并以合肥工業(yè)大學學生項目團隊開展的對“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)了學生創(chuàng)新創(chuàng)造思維，理論與實踐結合緊密，將教學與實驗相互融合，多層次的對學生進行培養(yǎng)。

實驗室；“慧魚”模型；形象；具象

隨著社會的不斷發(fā)展，人類文明的持續(xù)進步，傳統(tǒng)教育越來越受到局限。由于重視對學生知識的教授，重視理論教學，學生在其模式下熱衷于對知識點的死記硬背和應付考試，忽略了最重要的實踐部分，這不但不利于學生的自主思考能力和解決問題的能力，而且嚴重限制了學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力。在目前教育體系下，雖大力倡導學生做項目，參與實驗室工作中，但目前中國學生人數(shù)龐大，教師資源和實驗室資源的限制，使得很大一部分學生沒有機會參與其中。

德國慧魚公司自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上發(fā)揮而來?！盎埕~”模型適用于小學、中學、大學各個階段的學生學習，已作為專業(yè)教具在國外眾多高校得到青睞。國內現(xiàn)也已有數(shù)十所理工類高校引進了相應產(chǎn)品。由于其靈活的應用，天馬行空的想法均能被反映在實物上，在培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)造能力上迅速得到認可。

1 “慧魚”模型在高校的應用現(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，其具有多層次的應用，注重創(chuàng)造性思維的開發(fā)，以及研究性學習能力的培養(yǎng)。在目前國內高校間“慧魚”模型主要有兩種應用方式。

很大一部分高校引進“慧魚”模型，是將其單純作為一款教具使用。作為學生學習知識的展示實物，依托慧魚進行理論知識的傳授，使其理論課程遠超實踐，忽視了實踐操作技能的提高，實踐教學流于形式，無法調動學生的積極性和創(chuàng)新性，未改變傳統(tǒng)機械課程授課的局限性。一些學校意識到這種情況，做出了改變，在授課結束后，將慧魚模型作為學生課后課程設計布置給學生。這雖起到了一些作用，但仍很難調動學生的全部熱情和投入。這種作業(yè)形式本身使學生產(chǎn)生了抵觸心理。

另一種應用方式是以項目團隊進行，“慧魚”模型作為項目的基礎，不將“慧魚”模型當做教具引入課程。項目教學中，學習過程成為一個人人參與的創(chuàng)新實踐活動，其相對于教具教學而言注重更多的是過程，而非結果。

項目教學由美國工商管理碩士教育（MBA）長期實踐得到了最有效的教學方法，突破了常規(guī)教學的弊端，師生在規(guī)定時間內通過共同完成一個項目方案進行教學，將理論與實踐緊密相連，學生在一定時間范圍內，自由組隊，制定方案，確定時間節(jié)點，進行學習。最后由師生共同評價項目成果。這不僅提高了學生專業(yè)知識的迅速汲取能力，更培養(yǎng)了他們分析問題和解決問題的能力。項目教學作為慧魚實驗室的實施方式更能深層次發(fā)掘“慧魚”模型的潛能。

2 “慧魚”模型的應用

2.1 “慧魚”模型簡介

作為一種六面體拼接體，通過簡單的拼接完成，使用者更容易掌握其構造和基本原理，并在此基礎上進行創(chuàng)新?；埕~產(chǎn)品以其專業(yè)性為實驗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）、機械、液壓、氣動、遙控、總控、程控等多種學科，涵蓋機械、汽車、機器人技術等多個領域。其模型主要由組合包、培訓模型、工業(yè)模型三大系列組成，其中組合包中就包含移動機器人組合、工業(yè)機器人組合、啟動系統(tǒng)組合、傳感器組合等。直接采用工業(yè)標準的基本構件然后輔助以多種傳感器、控制器、執(zhí)行器和相應的軟件進行自由配合，學生在使用過程中可自由組合，充分發(fā)揮所想，進行各種有創(chuàng)意的設計和裝配。

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；其驅動裝置主要為電機驅動與氣動驅動；同時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。慧魚公司提供的裝配手冊有許多專業(yè)示例，學生按照裝配手冊規(guī)范操作即可制作出機械模型，譬如機械手、叉手、旋轉機器人、氣動機器人等。具體實物對學生進行第一步的印象，創(chuàng)新不會憑空發(fā)生，思維是基于一定的外部刺激而產(chǎn)生的，“慧魚”模型基于具體的實物，由物及腦，通過對零件的認知，進而學習相關的理論知識。具象是形象的基礎，具象是形象所憑借的主觀和客觀映像資料。具象最重要的特點即直接體驗性，依托于實物為載體，通過對具象思維的加工即形成了我們所說的經(jīng)驗。具象到形象即為學習的過程，基礎儲備和知識儲備的階段，“慧魚”模型很好地契合了這一點。

2.3 “慧魚”模型形象到具象過程

以“慧魚”模型為基礎，熟練掌握基礎課程：機械制圖能力、空間想象能力、機械運動原理等，專業(yè)課程：機械、控制、計算機軟硬件應用等。此外除了專業(yè)知識的掌握，作為一名理工科工程師，其實踐和工程意識是必不可少的。這種意識的培養(yǎng)主要取決于金工實習、企業(yè)實習等各類實習。目前各種實習由于學校經(jīng)費少或者實習單位限制等原因造成學生實習時間短，動手機會少，學生很難從中對各種機械結構、運動構造、運動原理有詳盡透徹地理解。“慧魚”模型所具有的全方面的機械軟硬件為學生從圖紙到實物、從思想到實踐提供很好的平臺，可以以其為基礎，結合實驗室常見的設備（如計算機、PLC、單片機等），運用各種控制方式，結合常見的零部件搭建各種加工機床（如數(shù)控鉆床、數(shù)控銑床、數(shù)控車床等），進行模擬。

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換成表象，形成我們的記憶即經(jīng)驗，我們通過對慧魚基礎的學習，積累知識，收集經(jīng)驗。思維自然得到擴展，在此基礎之上根據(jù)現(xiàn)有的模型進行合理科學地改進，從而發(fā)揮創(chuàng)造力和想象力，依據(jù)知識和實際應用創(chuàng)造出新的模型。

3 “慧魚”模型產(chǎn)品示例——基于“慧魚”模型的可變距探測機器人

以實驗項目合作方式進行，首先組建了學生團隊成員，共四人，分工協(xié)作，兩人負責機器人電控系統(tǒng)，兩人負責機械結構設計。

設計方案流程：確定整理設計方案——建立數(shù)學模型——硬件結構設計——軟件程序控制設計——電路仿真與實物模擬。探測機器人主要有主體部件、輪距變化機構、驅動機構、舵機云臺機構、無線遙控模塊、電源模塊等組成。本設計為了提高探測機器人的靈活性，因此采用兩輪支撐，并配合輪距變化機構。兩個輪子都是支撐輪同時也是驅動輪，車輛直接和步進電機相連，通過L298N對電機進行驅動，實現(xiàn)前進、后退，變轉彎半徑轉向等功能。采用輪距變化機構可改變輪距，適應空間狹小而大角度轉向的工作環(huán)境，提高機器人的通過性和適應性。舵機云臺上可安裝探測設備，實現(xiàn)機器人的探測功能。采用無線遙控模塊進行數(shù)據(jù)的傳輸，通過按鍵向單片機發(fā)送運行指令。

考慮“慧魚”模型零件的標準性在進行慧魚實物制作前，探測機器人運用matlab建立轉向模型，確定轉向半徑，使其及時使用慧魚零件也適用于機器人的使用情況；通過受力計算選取合理選取驅動結構中的電機裝置，我們發(fā)現(xiàn)“慧魚”模型的電機裝置太大太過笨重，我們大膽舍棄選擇了減速比為1∶11的35YF22GN030R電機作為變距電機，采用35YF22GN作為驅動電機，采用9G高精度舵機二自由度視頻云臺作為云臺升降控制電機。機器人主體結構采用“慧魚”模型零件，其動力結構輸出路徑為：變距電機→聯(lián)軸器→錐齒輪→蝸桿→蝸桿套→金屬棒→連接件→驅動電機；輪距變化機構中采用渦輪蝸桿機構，其相對傳動比較大且輸出平穩(wěn)。采用“慧魚”模型零件的同時，我們融入了自己設計部分的非標準件，探測機器人的輪子結構通過數(shù)銑ABS復合材料得到，ABS復合材料與“慧魚”模型采用的優(yōu)質尼龍材料同樣具有很好的韌性和較輕的質量，與“慧魚”模型材料相互搭配得到了很好的效果。采用C語言編程對系統(tǒng)進行控制，主要功能模塊是變距電機和驅動電機的加減速、正反轉控制，舵機的驅動。

4 結語

“慧魚”模型從具象到形象再到具象的過程有效開發(fā)了學生創(chuàng)新創(chuàng)造思維，實現(xiàn)了理論與實踐的結合緊密。“慧魚”模型將教學與實驗相互融合，多層次的對學生進行教學培養(yǎng)，打破了傳統(tǒng)實驗與教學方式。其相對動輒上百萬的實驗設備具有明顯的優(yōu)勢，為學生創(chuàng)造了良好的實驗環(huán)境。慧魚產(chǎn)品作為實驗室用具是一個很好的項目，并且以項目團隊的方式開展的“慧魚”模型的應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2014年國家級大學生創(chuàng)新訓練計劃項目資助（201410359007）。