范兴铎，应伟军，李映平

（浙江农林大学暨阳学院，浙江 诸暨311800）

0 引言

机械设计基础是高等工科学校里面机械类和近机械类必开的一门重要的专业技术基础课和主干课，主要讲授机械设备中常用机构的工作机理、机构的创新组合设计应用，以及常用典型机械零部件的材料、参数选择及结构设计等基本内容，解决的是机械装备设计中方案和技术设计阶段的问题[1]。该课是后续专业课的基石，并且与工程实际联系紧密，实践性较强，通过该课程的学习学生应具备通用设备的设计、使用及管理维护能力，是培养应用型本科技术人员的重要课程。

从涉及到的知识点来看，《机械设计基础》基本上是由《机械原理》与《机械设计》两门课删减掉一些章节后浓缩的一门课，所要掌握的知识量大面广，课程内容涉及到生产实践中的许多设备和零件，学生缺乏相关工程知识背景及阅历[2]。此外在多数近机类专业学生看来，《机械设计基础》课程不是他们的专业骨干课，因此不愿意投入太多精力。知识量大、工程背景缺失、非专业骨干课程等因素导致大部分学生学习积极性差，如何使近机类专业学生既能轻松地获得更多更有效的知识信息，又能产生主动学习的欲望，是教育教学改革诚待解决的问题。

慧鱼创意组合模型简称“慧鱼”系，是德国Arthur－Fischer博士的专利“六面拼接体”基础上发明的工程技术类智趣拼装模型，具有扩展性、启发性强，覆盖科学知识领域广等特点，被广泛应用于实验教学、科研创新和生产实际等方面。慧鱼创意组合模型通过各种各样的构件（功能模块）组合拼装而成，主要构件采用优质尼龙塑胶制造，尺寸精确，不易磨损。连接方式采用燕尾槽插接方式，可以实现六面拼接、多次拆装和反复使用[3]。慧鱼模型的组合包包括大量常用的机械零件，如连杆（见图1）、齿轮、凸轮、带轮、链轮、轴、丝杠（见图2）、蜗轮蜗杆、齿条、同步带等，各零部件可以方便的组合搭建实现各种常用机构的运动。

图1 慧鱼连杆

图2 慧鱼丝杠

针对《机械设计基础》课堂教学所面临的一系列问题，结合慧鱼创意组合模型的特点，本文对汽车服务专业《机械设计基础》课程的理论教学与实践教学进行了一系列课堂教学改革，将慧鱼模型创新性的应用到理论与实践教学中，激发学生学习兴趣和热情，提升教学质量，取得了满意的成效。

1 慧鱼创意组合模型在理论教学环节的应用

慧鱼组合模型体积小，重量轻，携带方便，适合作为教具辅助教学，在理论教学环节所在课题组主要进行了三项改革应用，包括课堂展示理论验证、结合网络课程采用“翻转课堂”教学模式和开设创新搭建课。整个的学习过程中学生能够参与课程教学，实践验证理论，这样不仅能增加课堂教学的趣味性，还能加深学生的感性认识。

1.1 课堂展示理论验证

教师在课堂教学前，根据教学需要搭建好慧鱼模型，在课堂上分发给同学们，在讲授完理论部分知识后，让学生操控模型进行验证。该种教学方式主要应用到间歇机构、平面连杆机构、定轴轮系、周转轮系等机械结构原理部分的知识点，学生通过操作模型获得感性认识，加强知识点的理解和记忆，解决了学生缺乏相关工程知识背景及阅历，不知道老师所讲授的常见机构具体是怎样组成、如何工作的问题。如在讲授间歇运动机构知识点时，提前搭建好棘轮机构、槽轮机构、凸轮（图3）间歇运动机构等常用间歇机构，在讲授过程中让学生操作这些机构，了解间歇机构主要由那些构件组成，如何实现的不连续动作，并比较各种机构的优缺点；在轮系部分搭建好周转轮系与定轴轮系，在模型的帮助下学生可以很轻松的弄明白定轴轮系（图4）与周转轮系（图5）结构上的异同，以及反转法在周转轮系自由度的计算中的应用，轮系中各齿轮的转动方向的判别等知识点。

图3 凸轮机构

图4 定轴轮系

图5 周转轮系

1.2 结合网络课程采用“翻转课堂”教学模式

在教师的指导下学生在课堂上搭建满足教师要求的慧鱼组合模型，并讨论分析机构特点，进行探讨式理论教学。该种教学模式主要应用于理论性相对较少工程背景较强的知识点，主要有机构自由度的计算、平面连杆机构的分类、螺纹连接的防松、带传动的打滑及弹性滑动以及链传动的张紧、轴与轴承等轴系结构的配合设计等。两节课的时间相对较短，不能要求学生搭建过于复杂的机构，也不能涉及太多知识点，主要通过分组分知识点搭建的方式，老师在上课时根据知识点的难易程度选择3～5个知识点分配，每个知识点分配给2～3个小组，一般3～5人一组，利用一节课的时间每组搭建一个知识点的机构，并讨论如何讲授该知识点，为第二节课答辩做准备。第二节课通过抽签答辩的方式，在每个知识点的小组中抽出一组演示并讲授所搭建模型涉及的知识点，回答其他同学的提问，每组10 min左右，最后老师总结并回答同学解释不清的问题。答辩成绩计入平时成绩，平时成绩占期末总成绩40%.

如在讲授平面连杆机构的基本类型及其应用知识点时，采用“翻转课堂”教学模式，教师课前分配铰链四杆机构、含有移动副的四杆机构、具有偏心轮的四杆机构3个知识点并指导学生在学校网络课堂上自学有关理论知识，在上课时为每个知识点分配3个小组，每组3～4人，利用1节课的时间指导学生利用慧鱼模型搭建出双曲柄、双摇杆、曲柄摇杆、曲柄滑块、导杆机构、摇块机构、定块机构等体现上述三个知识点的平面连杆机构，搭建的同时完成后期答辩的准备工作，搭建完成后抽签让学生负责演示并分析所搭机构特点。利用网络课堂为载体、结合“翻转课堂”教学模式、以慧鱼组合模型为教具进行探讨式理论教学，该种教学改革深受学生欢迎，取得了理想的教学成果，学生学习积极性得到大幅提升，该专业多名考研学生选《机械设计基础》课为考研专业课，并取得了理想的考研成绩。

1.3 开设创新搭建课

为了使学生形成完整的知识体系并加强学生创新思维的培养，在常用机构部分的教学任务完成后，安排2个学时的创新搭建课程，来回顾前期所学并进行创新应用。因前期的课堂展示以及翻转课堂教学模式的应用，学生已经熟悉慧鱼模型的组成及搭建方法，且已学完相关理论知识点，故创新搭建课主要考查知识的综合应用以及创新应用，从模型的功能新颖性（25%）、实用性（15%）、机构创新性（25%）、合理性（20%）、功能的实现（15%）5个方面计算成绩。在本课程的绪论课上老师就介绍清楚创新搭建课的要求，要求学生4～5人一组，自由组队，综合应用所学完成一款实用设备的设计，主题不限，但要求该设备必须具备一种创新性实用功能。在前期理论学习过程中完成原理方案的设计，在创新搭建课上用慧鱼组合模型搭建实现，原理方案设计期间可以找老师讨论方案的可行性。该教学环节的实用性及创新要求，贯彻了学以致用的教学理念，满足了加强学生创新实践能力培养的教学要求。教师在此教学环节中承担辅助性工作，尽量诱发出学生的创新活力。该教学环节的实施取得了理想的教学成果，学生设计出了很多种富有创意且实用的设备，如导杆机构组成的山核桃采摘设备、节约场地的立体式停车场设备、无死角汽车雨刷设备等；还有的小组设计出了多机构多功能设备，如图6为学生设计的一款便携式多功能护理装置，由连杆机构、丝杆机构、双滑块机构等多种机构组成，具有起背、翻身、报警、曲腿、腿部按摩等功能，利用慧鱼机构模拟完成了原理方案，验证了机构的可行性，然后加工出了实际设备样机，该设备还获得了浙江省大学生机械设计竞赛省奖，并获得专利授权。

图6 便携式多功能护理装置

2 慧鱼创意组合模型在实验教学环节的应用

目前的机械设计基础实验课项目多为演示验证性实验，缺乏综合性创新实验，慧鱼组合模型的无限拼接特性为设计综合性创新实验提供了工具，笔者所在课题组共设计了两大类创新性试验。

一类是优化机构选用组合实验。学生3人/组分组完成，利用2节课的时间搭建完成如下实验：在600mm×600mm的实验面板的左边安装一个电机，在面板右边安装一个滑块，要求电机通过一系列的传动机构转换后驱动滑块在规定行程内实现往复移动；或者是把一个物块从左上角运送到左下角，实验板上画出中心点、每边中点以及四个角点9个特殊点，再画出10个随意位置的一般点，要求该物块必须经过指定的6个点。学生的任务是自主设计中间的传动部分，规定传动部分中必须包含平面连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、带传动或链传动、间歇机构等常用机构的3种以上。评判标准为功能原理方案的合理性及创新性。该实验既用到了本课程前半部分的机械原理知识，又用到了轴、螺栓连接件、轴承等后半部分的机械设计知识，综合性比较强，主要考查学生机构创新选用以及知识点的综合应用能力。

另一类是开放性完成预定功能组合创新工程实验。该类实验要求与创新搭建课组合完成，因创新搭建课只有2个学时的搭建时间，如果有小组希望能够搭建复杂的设备，需要更多时间，可以参加该类实验，利用实验时间先行搭建部分结构，参加该类实验的小组的创新搭建课考核要求有所提高，所搭建设备必须能够实现相对复杂完善的功能，不能再是单一功能的简单设备，实验成绩与创新搭建课成绩一起计算。多数情况下学生都能充分发挥自己的创新想象能力，设计出了珍珠打孔机、香榧筛选设备等市场上没有的实用的设备。

这些实验有效的打破了原来的实验模式，为学生创造了一个良好的动手环境，让学生在掌握机械设计基础理论知识的前提下，以慧鱼模型为平台，利用慧鱼模型进行机械创新实践，把已学习专业理论知识实践化、扎实化，并促进学生对理论知识的理解和创新能力的培养，调动了学生学习的主动性，是培养学生实践能力的有效途径。

3 结束语

通过采用慧鱼创意组合模型在《机械设计基础》课程教学中的应用与实践，取得了以下效果：

（1）在理论教学过程中利用慧鱼创意组合模型辅助教学，降低了教学与学习难度，做到了理论与实践的统一，激发了学生的学习兴趣，学生对理论知识的理解和掌握均有大幅提高。

（2）慧鱼创意组合模型结合新设置的开放性创新综合实验项目，为学生创造了良好的实验环境，相比于传统实验，学生的实际动手能力、解决实际问题能力和创新设计能力得到了提升，学生对此实践教学环节热情极高，学习积极主动，教学效果良好。

虽然慧鱼创意组合模型的合理利用在《机械设计基础》课程教学过程中取得了较好的教学效果，但是，《机械设计基础》课程教学过程中遇到的教学问题也不是一两套慧鱼模型就可以完全解决的，要想取得更好的教学效果还需与传统教学模式有机结合，并融入新的教学理念、教育技术与手段，如：3D打印技术、数字化三维建模软件的合理利用等，通过不断地教学改革尝试，一定会取得更加理想的教学效果。

[1]李 慧.基于工程能力培养的《机械设计基础》课程改革[J].价值工程，2016，35（24）：310-311.

[2]刘春香，刘喜平，苗淑杰.基于学生创新能力培养的“机械设计基础”实践教学改革初探[J].黑龙江科学，2014，5（12）：133.

[3]段振华，吴张永，温成卓，等.王庆辉.基于LLWin控制的慧鱼创意组合模型实践应用[J].实验室研究与探索，2013，32（01）：64-66，76.