基于CDIO教学模式的机械基础组合教具研制

卢孔宝, 陈军达, 陈越林

(1. 浙江水利水电学院 机械与汽车工程学院, 浙江 杭州 310018；2. 杭州英纳福自动化工程有限公司, 浙江 杭州 310018)



基于CDIO教学模式的机械基础组合教具研制

卢孔宝1, 陈军达1, 陈越林2

(1. 浙江水利水电学院 机械与汽车工程学院, 浙江 杭州 310018；2. 杭州英纳福自动化工程有限公司, 浙江 杭州 310018)

为解决“机械设计基础”课程枯燥乏味、学生通过常规理论教学难以掌握相关知识这一难题,自主研制了一款机械基础组合教具,结合课程由浅入深地投入到教学中,从零件的认知、单一典型机构的认知及应用、组合机构创新及应用等开展教学活动。该教具通过试用达到预期成效,明显改善了教学效果,具有一定推广价值。

组合教具； 机械设计； CDIO教学模式

“机械设计基础”是高等院校机械类专业本专科生的核心专业课程,通过向企业发放调查问卷、毕业生回访、企业招聘座谈等形式获知，“机械设计基础”课程在学生从基础理论学习过渡到研究和解决机械工程技术问题的过程中起着关键性的桥梁作用[1-2]。浙江水利水电学院十分重视“机械设计基础”等核心课程的建设开发,大力提倡自主研制教学教具。近几年一直坚持以CDIO教学模式培养机械类人才,秉承“学中做,做中学”的教学理念,培养学生的创新意识和团队合作精神，提升实践动手能力[3-4]。

1 教具设计背景

通过调研，显示学生学习“机械设计基础”课程主要有以下特点:一是该课程机构多,初学者很容易混淆相关概念；二是课程缺少实质性的创新设计,固有的数据设计无法真正掌握所学知识；三是教学中采取的教具形式单一，缺少一个系统的组合机构。教师授课过程中发现常规的教学很难调动学生的积极性和主动性。浙江水利水电学院引入CDIO教学模式，在教学过程中让学生参与构思(C)、设计(D)、实现(I)、运作(O)的教学训练[5-7],通过该课程学习要求学生由浅入深地理解、掌握齿轮传动、带传动、槽轮传动、凸轮传动、曲柄连杆机构、四连杆机构、组合机构等机械结构的原理及其应用场合。

由于目前市面上的机械设计教具部分是单一机构为主,有部分教具只能通过简单的拆装,无法融入学生的创新意识，无法实现学生的拓展训练。鉴于现有市场销售教具无法满足教学所需,在学院大力提倡CDIO教学模式以提升学生创新和实践能力的情况下自主研制了基于CDIO教学模式的机械基础组合教具。该教具研制申报了2015年浙江省大学生新苗人才计划创新项目并获批,研制过程中收集了大量的学生需要,根据对学生的调研报告和教师教学经验进行装置整体方案设计。该教具可以用于常规标配性教学，也可以允许教师或者学生以自主选题的方式对该作品进行功能扩展,使学生在娱乐中完成学习,从娱乐中掌握知识和技能。

2 设计思路

本教具主要激励学生学习机械基础课程的兴趣,以游戏实验的方式开展教学。本教具可以实现组合拼装,通过不同机构的组合、构件不同尺寸的设计达到不同的运动效果,满足CDIO教学模式的构思、设计、实现、运作4个阶段的教学要求。该教具为学生提供了常规性实验和拓展性实验,可以在该教具的基础上不断开发升级,充分体现CDIO教学模式的灵活性和创造性。标配性的教具总体示意图如图1所示。

图1 标配性教具总体示意图

2.1 典型常见机构运动设计

2.1.1 剪刀剪切运动的设计

教具以连杆机构理论为支撑,通过剪刀剪切运动为案例进行搭建,使学生认识、理解、掌握、拓展连杆机构的应用。可利用不同长度的杆件开展多杆机构的教学。该教具可通过轮盘的转动带动剪刀的剪切运动，如图2所示。具体运动实施如下:曲柄、剪刀片等构件由螺钉连接,当主动件曲柄做圆周回转运动时,剪刀片根据四连杆机构原理形成交叉剪切运动[8]。

图2 四连杆机构示意图

2.1.2 木偶上下运动的设计

该教具以凸轮机构(见图3)理论为支撑,通过凸轮运动为案例进行搭建,使学生认识、理解、掌握、拓展凸轮机构的应用。可利用不同凸轮形状或不同顶杆接触类型绘制顶杆(木偶)上升的轨迹图等教学。主轴上的凸轮通过轴套固定,将木偶安装在凸轮从动件上,由于凸轮呈盘状,并且具有变化的向径,因此在凸轮转动时,可实现木偶的上下运动。

图3 凸轮机构示意图

2.1.3 锤子间歇摆动运动的设计

教具以间歇机构理论为支撑,通过锤子打击木偶运动为案例进行搭建,使学生认识、理解、掌握、拓展间歇机构的应用。可利用不同间歇机构类型或连杆长短观察是否可实现锤击到木偶开展教学[9]。

副轴上的齿轮与主轴上的齿轮啮合(图4中看不到),实现副轴的旋转,并带动副轴上的圆盘旋转。轮盘通过接触固定在边侧的锤子连接杆而使锤子上下摆动，如图4所示。

图4 锤子间歇摆动示意图

2.2 教具融合娱乐性设计

掌握了常见机构的知识后，可根据学生的自主选题或者教师制定的要求开展创新性教学,为增加学生主动积极性,设计教具时将娱乐性融于教学环节中[10],以提升教学互动性等。

2.2.1 木偶在剪刀之间穿梭

该机构运动需要实现的功能:剪刀闭合时,木偶下降并远离剪刀；当剪刀张开时,木偶又会上升并在剪刀剪切范围内,在整个过程中,木偶都不会被剪刀剪到,如图5如示。可以根据设定要求通过不同长短杆件的组合搭建不同类别的运动形态。

图5 木偶在剪刀之间穿梭

运动实施如下:手轮做回转运动带动主轴旋转,主轴通过两块支撑板支撑保持水平状态,主轴前段装有一个凸轮,凸轮经由联轴器与主轴相连,使得主轴的回转运动与凸轮回转运动保持一致。凸轮上方有一圆柱棒跟随凸轮的回转做上下运动。主轴前段有一锥齿轮,锥齿轮与主轴通过螺钉相连,两个锥齿轮相互啮合带动圆盘做回转运动,圆盘上固定有四连杆机构的连杆,通过上述连接。当主轴做回转运动时最终表现出来的是四连杆机构做剪刀剪切运动,圆柱棒做上下运动。通过相关计算设计使得四连杆机构剪刀剪切过程中木偶都不会被剪刀剪到。

2.2.2 锤子间歇捶打木偶

锤子向下摆动时,凸轮运动到最低点,木偶下降；锤子向上摆动时,凸轮在最高点,木偶会上升。保证锤子的上下摆动都不会砸到木偶,如图6所示。可以根据设定要求通过间歇机构的间歇周期或不同间歇机构的组合搭建是否锤击到木偶的运动状态。

图6 锤子间歇捶打木偶示意图

运动实施如下:副轴上的齿轮与主轴上的齿轮啮合,实现副轴的旋转,并带动副轴上的轮盘旋转。轮盘通过接触固定在边侧的锤子连接杆而使锤子上下摆动。运动实施如下:回转圆盘作为主动件,当回转圆盘做回转运动时,圆盘上的铝块也将跟随着转动,由于锤子自重力的作用锤子将向左侧倾斜,圆盘上的铝块将间歇的敲击锤子,使得锤子也做间歇式上抬运动。

2.2.3 槽轮的永不停转

该机构运动需要实现的功能:主轴的转动使槽轮持续运动[11]。 通过相关设计使得分针、时针也做持续回转运动,且实现分针转6转、时针转1转，寓意着槽轮永不停转。图7为槽轮的永不停转示意图。

图7 槽轮的永不停转示意图

实施如下:主轴带动主动槽轮做回转运动,通过主动槽轮的拨针间歇的拨动从动槽轮,确保主动槽轮运转6转从动轮运转1转。主轴与主动带轮通过销轴相连,实现同步运转。主动带轮通过同步带实现从动带轮运转,且在从动轮上固定一分针。使得分针的运转与主动槽轮运转状态一致。在从动槽轮上通过轴连接着时针,使得时针的运转状态与从动槽轮运转一致。综合上述描述,通过一定的数据计算设计即可实现分针转6转、时针转1转，寓意着槽轮永不停转。

3 教具创新特点

基于CDIO教学模式的机械基础组合教具主要涉及机械设计、工程力学等学科的知识,该装置可通过不同结构部件的拼装从而实现不同功能的转换；可以通过不同杆件的长短实现机构运行是否合理,且可通过机械运动实现演示。

教具创新特点如下:

(1) 采用不同构建可搭建不同机构且能直观演示；

(2) 同一机构也可以实现不同状态的设计(如剪刀刚剪到棒体、剪刀完全剪到棒体、剪刀刚剪不到棒体、剪刀完全剪不到棒体),以达到拓展训练效果；

(3) 教具采用纯机械设计,有利于开展桌面教具CDIO教学模式的实施；

(4) 框架以透明有机玻璃搭建,便于观察内部机械运动；

(5) 将多种机构集成在一个教具上,减少教具成本,提供机构对比；

(6) 教具部件采用标准模块组成,为后期的扩展提供基础。

4 实施效果

基于CDIO教学模式的机械基础组合教具的研制建立在我校CDIO教学教改的基础上,在我校大学生创新社团、指导教师、学生团队共同努力下研制而成,该教具获得浙江省第十一届大学生机械设计竞赛(本科组)二等奖,并获得浙江省大学生新苗人才培养计划创新推广项目立项等。教具实物如图8所示。

图8 教具实物

该教具在我校的15级“数控加工技术”机械设计基础CDIO课程进行了试用,数控15一班级采用传统教具+理论教学模式,以传统的认知、教具实验等开展教学；数控15二班级采用基于CDIO教学模式的机械

基础组合教具+理论教学模式,以3～5人为一个团队从认识零件、搭建单一机构、构建组合机构、拓展训练渐进式开展教学[12-13]。学期结束后对两个班级的成绩、学生应用机械设计基础能力、学生学习主动性、授课反馈等数据进行了收集和对比。事实证明学生对该教具的接受程度很高,提高了学习主动性,拓展了学生利用机械设计基础应用能力,授课教师对该教具的认可度高,提升了学生学习的氛围,提高了学生专业综合素质。

5 结语

基于CDIO教学模式的机械基础组合教具目前申请并获批了3项专利:第1项为组合式机械结构教具,第2项为机械教具集成传动结构；第3项为持续剪切计时结构。研制过程不仅锻炼了教师和学生的创新能力，而且提升了教师和学生的实践动手能力。下阶段将寻求企业对该教具进行包装和推广。本教具除在本校试用得到良好评价外,还在杭州师范大学钱江学院等院校进行了试用,反馈信息表明使用效果较好,并有采购该教具的意向,同时该教具得到杭州英纳福自动化工程有限公司的认可,具有一定市场前景。

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Development of mechanical foundation combined teaching aid based on CDIO teaching mode

Lu Kongbao1,Chen Junda1,Chen Yuelin2

(1. School of Mechanical and Automotive Engineering, Zhejiang University of Water Resources and Electric Power,Hangzhou 310018, China；2. Hangzhou Ying Hannaford Automation Engineering Co. Ltd., Hangzhou 310018, China)

In order to solve the Mechanical Design Foundation course boring, and that students can not grasp the relevant knowledge and the application of knowledge through the conventional theory teaching, this article independently researches a mechanical basis combined teaching aid, according to the course by shallow into deep teaching, so that the students can carry out the activities from parts of cognition, single typical mechanism of cognition and application of combined mechanisms, innovation and application of teaching. The teaching aid through the trial can achieve the desired results, and improve the teaching effect, which has a certain popularization value.

combined teaching aid; mechanical design; CDIO teaching mode

10.16791/j.cnki.sjg.2016.11.027

2016-05-30

浙江省大学生科技创新活动计划暨新苗人才计划大学生科技成果推广项目(2015R434015)；浙江省高校实验室工作研究重点项目( ZD201408)

卢孔宝(1982—)，男，浙江湖州，在读硕士研究生，实验师，实验实训教学中心主任，主要从事数控加工技术研究、机电产品研制与改造.

E-mail：hzlukb029@163.com

TH132；G484

B

1002-4956(2016)11-0108-04