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，有效開發了學生創新創造思維，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。

實驗室；“慧魚”模型；形象；具象

隨著社會的不斷發展，人類文明的持續進步，傳統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新思維和創造能力。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，“慧魚創意組合模型”是其公司創始人Artur Fischen博士在他的專利六面體拼接體的基礎上發揮而來。“慧魚”模型適用于小學、中學、大學各個階段的學生學習，已作為專業教具在國外眾多高校得到青睞。國內現也已有數十所理工類高校引進了相應產品。由于其靈活的應用，天馬行空的想法均能被反映在實物上，在培養學生的創新思維和創造能力上迅速得到認可。

1 “慧魚”模型在高校的應用現狀

“慧魚”模型作為培養人才投入越來越受到高校的青睞，其具有多層次的應用，注重創造性思維的開發，以及研究性學習能力的培養。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新性，未改變傳統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。這種作業形式本身使學生產生了抵觸心理。

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，突破了常規教學的弊端，師生在規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知識的迅速汲取能力，更培養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新。慧魚產品以其專業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、工業機器人組合、啟動系統組合、傳感器組合等。直接采用工業標準的基本構件然后輔助以多種傳感器、控制器、執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，充分發揮所想，進行各種有創意的設計和裝配。

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、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射接收裝置等。慧魚公司提供的裝配手冊有許多專業示例，學生按照裝配手冊規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，創新不會憑空發生，思維是基于一定的外部刺激而產生的，“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，專業課程：機械、控制、計算機軟硬件應用等。此外除了專業知識的掌握，作為一名理工科工程師，其實踐和工程意識是必不可少的。這種意識的培養主要取決于金工實習、企業實習等各類實習。目前各種實習由于學校經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（如數控鉆床、數控銑床、數控車床等），進行模擬。

形象與具象的區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驗，我們通過對慧魚基礎的學習，積累知識，收集經驗。思維自然得到擴展，在此基礎之上根據現有的模型進行合理科學地改進，從而發揮創造力和想象力，依據知識和實際應用創造出新的模型。

3 “慧魚”模型產品示例——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，分工協作，兩人負責機器人電控系統，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，實現機器人的探測功能。采用無線遙控模塊進行數據的傳輸，通過按鍵向單片機發送運行指令。

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，我們發現“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。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銑ABS復合材料得到，ABS復合材料與“慧魚”模型采用的優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了學生創新創造思維，實現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，打破了傳統實驗與教學方式。其相對動輒上百萬的實驗設備具有明顯的優勢，為學生創造了良好的實驗環境。慧魚產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

合肥工業大學2014年國家級大學生創新訓練計劃項目資助（201410359007）。