慧魚模型在機(jī)電專業(yè)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用與研究

摘要：將慧魚創(chuàng)意組合模型應(yīng)用于機(jī)電專業(yè)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，通過學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論知識和基本拼裝訓(xùn)練，開展基于慧魚模型的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，依托慧魚模型參加學(xué)科競賽等，使學(xué)生的創(chuàng)新能力和實(shí)踐動手能力得到了較好的鍛煉和發(fā)揮，學(xué)生團(tuán)隊(duì)意識和綜合素質(zhì)有了較大提高。

引言

隨著我校“做大信息制造類學(xué)科專業(yè)”的發(fā)展定位的確定，機(jī)電專業(yè)作為制造類專業(yè)必然成為學(xué)校重點(diǎn)培育和建設(shè)的特色專業(yè)。機(jī)電專業(yè)的學(xué)生要求具有較熟練地應(yīng)用所學(xué)專業(yè)知識和理論解決工程實(shí)際問題的能力，具有較強(qiáng)的創(chuàng)新意識及進(jìn)行本專業(yè)相關(guān)技術(shù)改造與創(chuàng)新的初步能力。所以培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際動手操作能力和創(chuàng)新意識為目標(biāo)的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)課程就顯得尤為重要。但是，目前我校機(jī)電專業(yè)的實(shí)驗(yàn)課程大多是依附于專業(yè)理論課的以演示性和驗(yàn)證性為主的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，極少有相對獨(dú)立的設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，不能有效為學(xué)生提供鍛煉主動發(fā)現(xiàn)問題和自主分析問題的能力的機(jī)會，不能給學(xué)生創(chuàng)造一個(gè)發(fā)揮創(chuàng)造力和想象力的學(xué)習(xí)空間。為了提高學(xué)生的創(chuàng)新意識和實(shí)踐能力，機(jī)電專業(yè)的實(shí)踐課程教學(xué)必須要由單一的演示性和驗(yàn)證性實(shí)踐項(xiàng)目向多樣化的的設(shè)計(jì)性和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目轉(zhuǎn)變。

1.慧魚模型簡介

慧魚創(chuàng)意組合模型于1964年誕生于德國。由于采用優(yōu)質(zhì)尼龍塑膠作為大部分零部件的制造材質(zhì)，慧魚創(chuàng)意組合模型的尺寸相對來說比較精確，而且不易磨損，在保證可以反復(fù)拆裝的同時(shí)又不會影響模型之間拼裝組合的精確度；慧魚模型的大部分構(gòu)件是六面都可拼裝的拼裝體結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計(jì)可以使得構(gòu)件按照設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)意愿進(jìn)行任意拼裝組合?；埕~創(chuàng)意組合模型涵蓋領(lǐng)域非常廣泛，包括機(jī)械、電子、控制、氣動、汽車技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)和能源技術(shù)等領(lǐng)域以及高新學(xué)科都有所涉及。慧魚創(chuàng)意組合模型采用模塊化設(shè)計(jì)，由機(jī)械構(gòu)件、電氣構(gòu)件、氣動構(gòu)件、傳感器和編程軟件等組成，運(yùn)用創(chuàng)新設(shè)計(jì)思維和實(shí)驗(yàn)分析驗(yàn)證，可以還原任何技術(shù)過程，更可以模擬工業(yè)生產(chǎn)和大型機(jī)械設(shè)備操作，從而為實(shí)驗(yàn)教學(xué)、科研創(chuàng)新和生產(chǎn)流水線可行性論證提供了可能性。慧魚創(chuàng)意組合模型為學(xué)生提供了自主搭建模型和與軟件編程控制相結(jié)合的實(shí)踐平臺，成為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新性思維和動手實(shí)踐能力的重要載體。

2.基于慧魚模型的機(jī)電專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方案

2.1已具備的研究與改革條件

（1）學(xué)校已投入17萬余元建成慧魚模型創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室，擬再投入30萬元購置慧魚創(chuàng)意組合模型，保證了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的充足。

（2）學(xué)校專門派遣了相關(guān)老師到兄弟院校進(jìn)行調(diào)研，并參觀了全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽慧魚組比賽，收獲了很多有關(guān)慧魚模型的使用經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。并已經(jīng)組織部分學(xué)生開始了慧魚組裝模塊的拼裝和編程軟件的學(xué)習(xí)，而且初步制定了慧魚創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)文件。

（3）學(xué)生已成功申請成立慧魚科技創(chuàng)新社團(tuán)，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，為開設(shè)基于慧魚模型的 創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)創(chuàng)造了良好的氛圍。

（4）已經(jīng)由學(xué)生牽頭組建了基于慧魚模型的大學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)。

2.2第一階段：學(xué)習(xí)基礎(chǔ)理論知識和基本拼裝訓(xùn)練

慧魚創(chuàng)意組合模型涉及到機(jī)械、電氣、氣動、控制等各方面的專業(yè)領(lǐng)域，所以學(xué)生想要比較好的使用慧魚創(chuàng)意組合模型，就必須對這些領(lǐng)域的專業(yè)基礎(chǔ)知識有所了解，不然很難在后續(xù)的慧魚模型學(xué)習(xí)與使用中制作出較高水平的作品。因此，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的第一個(gè)階段，主要由專業(yè)老師帶領(lǐng)學(xué)生學(xué)習(xí)相關(guān)領(lǐng)域的專業(yè)基礎(chǔ)知識，包括常用的機(jī)械零件、機(jī)構(gòu)、傳感器、電動機(jī)等相關(guān)專業(yè)基礎(chǔ)知識的學(xué)習(xí)。同時(shí)，組織學(xué)生利用慧魚創(chuàng)意組合模型的培訓(xùn)組合包進(jìn)行慧魚模型的基本拼裝訓(xùn)練，使學(xué)生能夠在較短的時(shí)間內(nèi)熟悉并掌握慧魚模型的使用方法和拼裝技巧。另外，由于慧魚模型是采用ROBPro軟件進(jìn)行編程控制的，所以還需要學(xué)生學(xué)習(xí)ROBPro編程軟件的使用方法。

2.3第二階段：開展創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目

在學(xué)生學(xué)習(xí)了專業(yè)理論基礎(chǔ)知識，掌握了慧魚創(chuàng)意組合模型使用方法和拼裝技巧并會使用ROBPro編程軟件后，就可以組織學(xué)生開展創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。比如，在原有的尋跡小車的基礎(chǔ)上，要求學(xué)生開動腦筋，發(fā)揮想象力，進(jìn)一步的改進(jìn)小車功能。有的同學(xué)根據(jù)尋跡機(jī)器人的工作原理，在此基礎(chǔ)上加入接觸傳感器，設(shè)計(jì)出具有尋光避障功能的新型機(jī)器人，該機(jī)器人將尋光和避障的功能良好結(jié)合起來。改進(jìn)后的尋光避障小車的工作方案是這樣的：小車開始運(yùn)行，機(jī)器人先尋找光源，發(fā)現(xiàn)光源后，對光源進(jìn)行跟蹤，當(dāng)接觸傳感器探測到妨礙其前進(jìn)的障礙物時(shí)，小車停止運(yùn)行，當(dāng)障礙全部被清除后，小車?yán)^續(xù)尋找并跟蹤光源前行。在該方案中，進(jìn)行尋光功能的光電傳感器被連接到兩個(gè)輸入端，當(dāng)小車向左右轉(zhuǎn)向時(shí)，采用接觸傳感器計(jì)算脈沖。該方案主要分成三部分：檢測機(jī)器人是否搜索到光源，檢測機(jī)器人是否遇到障礙物，機(jī)器人鑒于上述檢測結(jié)果做出相應(yīng)的反應(yīng)動作（停止，轉(zhuǎn)向或者繼續(xù)前行）。通過對該尋跡機(jī)器人設(shè)計(jì)方案的改進(jìn)，學(xué)生的創(chuàng)新思維和時(shí)間動手能力得到了較好的鍛煉，同時(shí)學(xué)生的編程能力也得到了進(jìn)一步的提高，取得了良好的效果。

2.4第三階段：參加學(xué)科競賽并申報(bào)專利

通過參加學(xué)科競賽可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，使學(xué)生有機(jī)會將學(xué)到的專業(yè)知識應(yīng)用到實(shí)際中去。全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新大賽就是機(jī)電類專業(yè)一項(xiàng)非常重要的學(xué)科競賽，其中就設(shè)立了“慧魚”組的專項(xiàng)比賽，該項(xiàng)賽事激發(fā)了學(xué)生參加慧魚創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的興趣，為學(xué)有余力的學(xué)生提供了展現(xiàn)才能的平臺。學(xué)生通過自由組隊(duì)報(bào)名參賽。 首先，按照當(dāng)年機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽的競賽主題，學(xué)生們通過查閱文獻(xiàn)資料和市場調(diào)研，找出市場中現(xiàn)有產(chǎn)品的缺點(diǎn)和不足，尋找創(chuàng)意靈感，從而確定適合用“慧魚”創(chuàng)意組合模型來制作的創(chuàng)意作品，學(xué)生自由組隊(duì)報(bào)名參賽。接著，項(xiàng)目小組的成員集思廣益，團(tuán)隊(duì)討論，設(shè)計(jì)并初步確定創(chuàng)意作品的制作方案，并用CAD圖樣、三維建模或者動畫等方式展示小組討論后確定下來的最終方案，再經(jīng)過學(xué)校機(jī)械創(chuàng)新大賽評審組的選拔、答辯，選出具有代表性、創(chuàng)新性的優(yōu)秀作品。然后，指定專業(yè)指導(dǎo)老師對參賽隊(duì)伍進(jìn)行更加深入培訓(xùn)指導(dǎo)，帶領(lǐng)參賽學(xué)生深入研究“慧魚”創(chuàng)意組合模型，并模擬制作參賽作品，通過創(chuàng)意作品的制作對作品進(jìn)一步完善和優(yōu)化。 在作品制作過程中一定要重視機(jī)、電、光一體化應(yīng)用，通過編程實(shí)現(xiàn)對作品運(yùn)動的控制，對作品進(jìn)行不斷的實(shí)驗(yàn)、修正并完善。最后，繪制相關(guān)圖紙，撰寫研究報(bào)告、作品說明書，并制作答辯 PPT 等，提交競賽組委會。對于特別有創(chuàng)意和實(shí)用價(jià)值比較高的的優(yōu)秀作品，鼓勵學(xué)生申請專利。endprint

3.改革成效

通過將慧魚創(chuàng)意組合模型應(yīng)用于機(jī)電專業(yè)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，學(xué)生在對模型方案的設(shè)計(jì)與組裝中，逐漸熟悉并掌握機(jī)械和自動化裝置的常用結(jié)構(gòu)和工作原理，并取得了以下成效 ：

（1）發(fā)揮了學(xué)生創(chuàng)造性思維的積極性。在“實(shí)踐與創(chuàng)新”的宗旨下，通過慧魚創(chuàng)新方案的實(shí)施與應(yīng)用，提供使學(xué)生的潛能得以充分發(fā)掘的環(huán)境 ，使學(xué)生逐漸養(yǎng)成不墨守成規(guī)，不拘泥于傳統(tǒng)”的思維習(xí)慣，培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)際動手能力、解決實(shí)際問題能力和創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

（2）促進(jìn)了教師自身素質(zhì)的提高，形成了新的師生關(guān)系。由于創(chuàng)意組合模型涉及方案的創(chuàng)意和設(shè)計(jì)，許多內(nèi)容超出教材，甚至超出教師的知識范圍，因此必然督促教師自身的再學(xué)習(xí)和再提高。有了教學(xué)實(shí)踐中師生共同探討問題的經(jīng)歷，學(xué)生有問題愿找老師答疑和探討，形成了一種互相學(xué)習(xí)、互相促進(jìn)的新型師生關(guān)系。

（3）形成了一套完善的基于慧魚創(chuàng)意組合模型的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案。在項(xiàng)目完成之后，進(jìn)行了理論研究和實(shí)踐教學(xué)的總結(jié)，對實(shí)踐教學(xué)過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行研究改進(jìn)，完善教學(xué)方案，從而形成了一套完善的、行之有效的基于慧魚創(chuàng)意模型的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)方案。

4.總結(jié)

我校將慧魚創(chuàng)意組合模型應(yīng)用于機(jī)電專業(yè)創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的好奇心和主動性，學(xué)生參與度得到了極大提高。在基礎(chǔ)課程教學(xué)過程中引入慧魚模型，增強(qiáng)了了學(xué)生對工程應(yīng)用的感性認(rèn)識；通過參加基于慧魚模型的創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽，學(xué)生的創(chuàng)新意識和團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力得到了極大提高；將“慧魚”創(chuàng)意組合模型應(yīng)用于機(jī)電類專業(yè)的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中， 學(xué)生的實(shí)踐動手能力和創(chuàng)新思維意識得到了較好的培養(yǎng)，綜合素質(zhì)得到了較大提高，也為其以后的職業(yè)生涯奠定了一定的基礎(chǔ)。

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項(xiàng)目資助情況：本項(xiàng)目為2017年湖南城市學(xué)院教研教改一般項(xiàng)目

立項(xiàng)文號：湘城院發(fā)【2017】120號，項(xiàng)目序號：20

作者簡介：郭高峰（1985-），男，漢族，湖南城市學(xué)院機(jī)械與電氣工程學(xué)院教師，碩士，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動化。endprint