关于“慧鱼”模型在高校学生实验室应用中的探索

张东升，吴其林，邵宇吉，朱治鹏，刘欢

（合肥工业大学机械工程学院，安徽 合肥 230009）

关于“慧鱼”模型在高校学生实验室应用中的探索

张东升，吴其林，邵宇吉，朱治鹏，刘欢

（合肥工业大学机械工程学院，安徽 合肥 230009）

探索“慧鱼”模型在高校实验室中的应用以及慧鱼模型的应用情况，并以合肥工业大学学生项目团队开展的对“慧鱼”模型的使用情况为例，深入阐述了“慧鱼”模型从具象到形象再到具象的过程，有效开发了学生创新创造思维，理论与实践结合紧密，将教学与实验相互融合，多层次的对学生进行培养。

实验室；“慧鱼”模型；形象；具象

随着社会的不断发展，人类文明的持续进步，传统教育越来越受到局限。由于重视对学生知识的教授，重视理论教学，学生在其模式下热衷于对知识点的死记硬背和应付考试，忽略了最重要的实践部分，这不但不利于学生的自主思考能力和解决问题的能力，而且严重限制了学生的创新思维和创造能力。在目前教育体系下，虽大力倡导学生做项目，参与实验室工作中，但目前中国学生人数庞大，教师资源和实验室资源的限制，使得很大一部分学生没有机会参与其中。

德国慧鱼公司自1948年成立以来，已发展成闻名于世的高科技智能跨国公司，目前已有近23家子公司，“慧鱼创意组合模型”是其公司创始人Artur Fischen博士在他的专利六面体拼接体的基础上发挥而来。“慧鱼”模型适用于小学、中学、大学各个阶段的学生学习，已作为专业教具在国外众多高校得到青睐。国内现也已有数十所理工类高校引进了相应产品。由于其灵活的应用，天马行空的想法均能被反映在实物上，在培养学生的创新思维和创造能力上迅速得到认可。

1 “慧鱼”模型在高校的应用现状

“慧鱼”模型作为培养人才投入越来越受到高校的青睐，其具有多层次的应用，注重创造性思维的开发，以及研究性学习能力的培养。在目前国内高校间“慧鱼”模型主要有两种应用方式。

很大一部分高校引进“慧鱼”模型，是将其单纯作为一款教具使用。作为学生学习知识的展示实物，依托慧鱼进行理论知识的传授，使其理论课程远超实践，忽视了实践操作技能的提高，实践教学流于形式，无法调动学生的积极性和创新性，未改变传统机械课程授课的局限性。一些学校意识到这种情况，做出了改变，在授课结束后，将慧鱼模型作为学生课后课程设计布置给学生。这虽起到了一些作用，但仍很难调动学生的全部热情和投入。这种作业形式本身使学生产生了抵触心理。

另一种应用方式是以项目团队进行，“慧鱼”模型作为项目的基础，不将“慧鱼”模型当做教具引入课程。项目教学中，学习过程成为一个人人参与的创新实践活动，其相对于教具教学而言注重更多的是过程，而非结果。

项目教学由美国工商管理硕士教育（MBA）长期实践得到了最有效的教学方法，突破了常规教学的弊端，师生在规定时间内通过共同完成一个项目方案进行教学，将理论与实践紧密相连，学生在一定时间范围内，自由组队，制定方案，确定时间节点，进行学习。最后由师生共同评价项目成果。这不仅提高了学生专业知识的迅速汲取能力，更培养了他们分析问题和解决问题的能力。项目教学作为慧鱼实验室的实施方式更能深层次发掘“慧鱼”模型的潜能。

2 “慧鱼”模型的应用

2.1 “慧鱼”模型简介

作为一种六面体拼接体，通过简单的拼接完成，使用者更容易掌握其构造和基本原理，并在此基础上进行创新。慧鱼产品以其专业性为实验的开展提供了可靠保障，“慧鱼”模型集教具与仿生模型于一体，总共包括七大类，即能源（包括太阳能）、机械、液压、气动、遥控、总控、程控等多种学科，涵盖机械、汽车、机器人技术等多个领域。其模型主要由组合包、培训模型、工业模型三大系列组成，其中组合包中就包含移动机器人组合、工业机器人组合、启动系统组合、传感器组合等。直接采用工业标准的基本构件然后辅助以多种传感器、控制器、执行器和相应的软件进行自由配合，学生在使用过程中可自由组合，充分发挥所想，进行各种有创意的设计和装配。

2.2 “慧鱼”模型具象到形象过程

“慧鱼”模型多种多样的机械零件链条、联杆、齿轴、齿轮（普通齿轮、斜齿轮、锥齿轮、外啮合齿轮、内啮合齿轮）、齿条、凸轮、蜗轮、蜗杆、弹簧、万向节、曲轴、齿轮箱、差速器、铰链等；其驱动装置主要为电机驱动与气动驱动；同时辅助的各种类型传感器：如感光传感器、接触传感器、热传感器、磁性传感器和红外线发射接收装置等。慧鱼公司提供的装配手册有许多专业示例，学生按照装配手册规范操作即可制作出机械模型，譬如机械手、叉手、旋转机器人、气动机器人等。具体实物对学生进行第一步的印象，创新不会凭空发生，思维是基于一定的外部刺激而产生的，“慧鱼”模型基于具体的实物，由物及脑，通过对零件的认知，进而学习相关的理论知识。具象是形象的基础，具象是形象所凭借的主观和客观映像资料。具象最重要的特点即直接体验性，依托于实物为载体，通过对具象思维的加工即形成了我们所说的经验。具象到形象即为学习的过程，基础储备和知识储备的阶段，“慧鱼”模型很好地契合了这一点。

2.3 “慧鱼”模型形象到具象过程

以“慧鱼”模型为基础，熟练掌握基础课程：机械制图能力、空间想象能力、机械运动原理等，专业课程：机械、控制、计算机软硬件应用等。此外除了专业知识的掌握，作为一名理工科工程师，其实践和工程意识是必不可少的。这种意识的培养主要取决于金工实习、企业实习等各类实习。目前各种实习由于学校经费少或者实习单位限制等原因造成学生实习时间短，动手机会少，学生很难从中对各种机械结构、运动构造、运动原理有详尽透彻地理解。“慧鱼”模型所具有的全方面的机械软硬件为学生从图纸到实物、从思想到实践提供很好的平台，可以以其为基础，结合实验室常见的设备（如计算机、PLC、单片机等），运用各种控制方式，结合常见的零部件搭建各种加工机床（如数控钻床、数控铣床、数控车床等），进行模拟。

形象与具象的区别即在于表象与物象，物象通过思维的加工转换成表象，形成我们的记忆即经验，我们通过对慧鱼基础的学习，积累知识，收集经验。思维自然得到扩展，在此基础之上根据现有的模型进行合理科学地改进，从而发挥创造力和想象力，依据知识和实际应用创造出新的模型。

3 “慧鱼”模型产品示例——基于“慧鱼”模型的可变距探测机器人

以实验项目合作方式进行，首先组建了学生团队成员，共四人，分工协作，两人负责机器人电控系统，两人负责机械结构设计。

设计方案流程：确定整理设计方案——建立数学模型——硬件结构设计——软件程序控制设计——电路仿真与实物模拟。探测机器人主要有主体部件、轮距变化机构、驱动机构、舵机云台机构、无线遥控模块、电源模块等组成。本设计为了提高探测机器人的灵活性，因此采用两轮支撑，并配合轮距变化机构。两个轮子都是支撑轮同时也是驱动轮，车辆直接和步进电机相连，通过L298N对电机进行驱动，实现前进、后退，变转弯半径转向等功能。采用轮距变化机构可改变轮距，适应空间狭小而大角度转向的工作环境，提高机器人的通过性和适应性。舵机云台上可安装探测设备，实现机器人的探测功能。采用无线遥控模块进行数据的传输，通过按键向单片机发送运行指令。

考虑“慧鱼”模型零件的标准性在进行慧鱼实物制作前，探测机器人运用matlab建立转向模型，确定转向半径，使其及时使用慧鱼零件也适用于机器人的使用情况；通过受力计算选取合理选取驱动结构中的电机装置，我们发现“慧鱼”模型的电机装置太大太过笨重，我们大胆舍弃选择了减速比为1∶11的35YF22GN030R电机作为变距电机，采用35YF22GN作为驱动电机，采用9G高精度舵机二自由度视频云台作为云台升降控制电机。机器人主体结构采用“慧鱼”模型零件，其动力结构输出路径为：变距电机→联轴器→锥齿轮→蜗杆→蜗杆套→金属棒→连接件→驱动电机；轮距变化机构中采用涡轮蜗杆机构，其相对传动比较大且输出平稳。采用“慧鱼”模型零件的同时，我们融入了自己设计部分的非标准件，探测机器人的轮子结构通过数铣ABS复合材料得到，ABS复合材料与“慧鱼”模型采用的优质尼龙材料同样具有很好的韧性和较轻的质量，与“慧鱼”模型材料相互搭配得到了很好的效果。采用C语言编程对系统进行控制，主要功能模块是变距电机和驱动电机的加减速、正反转控制，舵机的驱动。

4 结语

“慧鱼”模型从具象到形象再到具象的过程有效开发了学生创新创造思维，实现了理论与实践的结合紧密。“慧鱼”模型将教学与实验相互融合，多层次的对学生进行教学培养，打破了传统实验与教学方式。其相对动辄上百万的实验设备具有明显的优势，为学生创造了良好的实验环境。慧鱼产品作为实验室用具是一个很好的项目，并且以项目团队的方式开展的“慧鱼”模型的应用取得了很好的效果。

[1] 李团结，郭宝龙，文群燕. 基于项目活动的实践教学研究[J].中国电子教育，2005,(2):1~2.

[2] 蔡理，郭鲁家. “慧鱼”模型在本科教学中的多层次应用[J].实验室研究与探索，2004,23(7):1~2.

[3] 杨洪涛，张新. “慧鱼”模型在机电类创新型人才培养中的应用[J].科技信息，2010,(20):1~2.

G642.4

A

1671-0711（2016）07（上）-0073-02

合肥工业大学2014年国家级大学生创新训练计划项目资助（201410359007）。