機械設計教學中思維可視化技術的應用探討

呂方梅　王新華　黃一晴　沈景鳳

摘要：分析現代化教學方式下機械設計課程教學的新特點，提出應用思維可視化的理論和技術輔助機械設計課程教學。應用可視化軟件工具建立了機械設計課程的思維導圖，以減速箱設計為例建立了機械設計過程的思維導圖。教學實踐證明該方法對提高課程教學質量、培養學生創新思維能力有效。

關鍵詞：機械設計教學；思維可視化；思維導圖

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）04-0270-02

機械設計是高等學校工科機類、近機類專業學生的一門重要技術基礎課。在工科專業學生的本科學習階段，該課程起著由基礎課程到專業課程的過渡作用。通過對該課程的學習不但使學生掌握發通用零件的具體設計計算方法，而且還掌握了常用機械結構的設計方法，更重要的是培養了學生靈活應用基礎理論知識解決工程實際問題的能力以及機械結構的創新設計能力[1，2]。

一、機械設計教學的新特點

機械設計課程的知識體系龐雜，其本身內容豐富，包括傳動、聯結、軸系零部件、其他零部件等多種常用零部件設計，素有“三多三難”的特點，即“內容多，難掌握；零件類型多，設計方法難統一；參數、公式、圖表多，難記憶”。另外，與其他學科關系緊密，與力學、工程材料、公差配合、制造工藝、設計方法學、摩擦學等領域知識交叉貫穿。機械設計課程的應用性和實踐性較強，對知識的掌握屬于非應試型，強調在實踐中培養學生的工程思維方式與創新能力。

信息化技術的高速發展及高校教育的改革推動著機械設計課程的教學改革，教學方法和手段更加先進。例如，電子教案的使用使課堂教學包含了更大的知識容量；計算機輔助動畫制作把機械工作原理和運動進程以更加生動形象的效果展示給學生；計算機輔助分析為設計提供了參考依據；網絡化課堂為課程提供了第二課堂和師生互動的平臺。教學方法與手段的先進性為機械設計教學帶來了提升，但也產生了一些弊端。首先，教學容量增加和教學時數縮減的矛盾促使整個教學節奏加快。為完成教學進度，課堂教學變成了一種“填充式”教學，學生的學習不得不成為一種“速食學習”。這導致教學模式更傾向于“感知記憶”層面，學生“學得多，忘得快”，對知識的掌握浮于表面，難以深入知識背后的聯系以建立知識結構系統。其次，應試教育模式導致授課過程中教師忽略學生能力的培養，缺少思維訓練過程，學習變成一種死讀書，不符合機械設計課程的認知特點。

思維可視化技術把看不見的思維過程和方法以可視化的形式清晰地呈現出來。本文在機械設計課程教學中引入思維可視化技術，不但有利于學生建立系統的知識結構，而且有助于培養學生的工程思維與創新能力。

二、機械設計教學中思維可視化技術的應用

思維可視化是指將不可見的思維路徑、方式、規律運用圖示或圖示組合的方式呈現出來，其本質是隱性思維顯性化的過程。實現“思維可視化”的技術主要包括思維導圖、流程圖、概念圖等圖示技術和相應的軟件技術。其中，思維導圖是由英國托尼·巴贊于20世紀60年代提出的。它從一個主題開始，對彼此間有關聯的信息進行分層、分類管理，逐步建立一個有序的發散思維圖，對思維過程進行導向和記錄[3]。

1.建立機械設計課程內容體系的思維導圖。本文應用可視化技術建立機械設計課程的思維導圖，實現課程知識結構圖像化。例如，在講授標準齒輪的幾何尺寸計算內容時，出現大量齒輪幾何參數名稱及尺寸計算公式，學生往往感到參數繁多，公式難以掌握。按照多向思維，從徑向和周向兩個方向對齒輪參數和尺寸進行分類，可以使問題簡化，并建立圖1所示的齒輪機構幾何參數和尺寸思維導圖。對于一個標準漸開線外齒輪，齒輪上有4個圓，分別是齒頂圓、齒根圓、分度圓、基圓；有一個角，即壓力角。以分度圓作為重要的基準圓，分別沿著徑向和周向兩個方向描述圓的幾何參數，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）、齒厚、齒槽寬等尺寸。而對于一對標準漸開線外嚙合齒輪，除了每個齒輪上的4個圓，多出一對相切節圓和一條嚙合線。因此，沿徑向方向多了節圓直徑（和半徑）、中心距，沿周向方向多了節圓的齒距（或周節）、齒厚、齒槽寬，此外，還有描述嚙合線位置的嚙合角。學生參考思維導圖對比學習就很容易理解和記憶這些知識了。

又如，機械設計課程整體體系的思維導圖使得學生從宏觀層面建立了機械設計課程比較系統的理論框架，了解了與其他課程內容的聯系紐帶，而各章節基本內容和重點知識的思維導圖，便于學生進行知識梳理，從而提高了機械設計課程學習效率。比如學習“齒輪機構”這章內容時，由于概念多、公式多，齒輪嚙合運動特性復雜，加之齒輪傳動設計計算公式復雜，學生普遍感到知識容量大，掌握起來困難。對直齒輪、斜齒輪、圓錐齒輪、渦輪蝸桿機構和傳動建立思維導圖，學生對照思維導圖采用類比思維來學習就容易多了。思維導圖架構機械設計各知識群之間的樞紐，呈現知識點之間的內在聯系，幫助學生更好地掌握知識脈絡，提高教學效果。

2.基于思維導圖的機械設計思維訓練。思維導圖符合人腦的思維模式，有利于發散思維的展開，可以有效地引導設計者的思考順利進行。在機械設計過程中，借助思維導圖描述幫助創新思維的深入展開。例如，在減速箱的設計過程中，讓學生把設計步驟、參數和結構按照工程邏輯用思維導圖表示出來，一邊設計思考一邊做出圖2所示的思維導圖，可以輔助設計過程順利完成。機械設計教學中，應用思維導圖可以培養機械設計的工程邏輯思維和創造性思維。

三、總結

思維可視化描述方法符合機械設計課程的認知心理學特點和工程設計的邏輯思維，可以更好地提高教師的課堂教學實效，不但有利于學生高效掌握課程知識體系，而且有利于培養學生的工程邏輯思維和創造性思維。作為機械設計課程教學改革的嘗試，實踐證明，在機械設計教學中應用思維導圖技術有效提高了教學質量，增強了教學效果。

參考文獻：

[1]濮良貴，紀名剛.機械設計[M].第八版.北京：高等教育出版社，2006.

[2]楊可楨.機械設計基礎[M].第五版.北京：高等教育出版社，2007：5.

[3]博贊.思維導圖[M].曉榭，譯.北京：中信出版社，2011.endprint