创意组合模型教仪的设计与开发

石昕宇，王仲民，赵洪利

（1.天津职业技术师范大学 津南研究院，天津 300222；2.慧仪（天津）科技有限公司，天津 300350）

0 引言

创意组合模型教仪是培养创新性思维的有效途径，同一种结构可以有不同拼法，它利用自由组合模型来启发人们的想象力，根据模型所需求的功能，在动手拼装的过程中动脑思考。将创意组合模型引入课堂并成为教学任务，结合项目式学习和设计式学习，以实践为基础，以创作为目标，用户可以运用多方面的知识去拼装模型，这对创新性有很大的要求。创意组合模型是教育类产品的代表，它的零件也在不断地更新，促使人们有更多的设计方法和拼装模型的思路。创新设计是新的技术或者发明在生产生活中取得价值的应用型设计。在创新设计的过程中，人们不仅注重设计的实用性，也注重设计的创新性[1]。人们在拼装创意组合模型时必然会应用到创新设计，设计中体现的创新性推动设计工作的发展。创新性是创意组合模型的特点之一，也是创新设计的核心，对其进行研究符合教育的发展规律，也是提高创新效率的方法。创意组合模型的创新化普及和产业化推广，可以提升教育类产品的创新能力和在国际上的品牌竞争力，进而提升职业院校创新教育的教育质量。

图1 乐高模型底板Fig.1 Base plate of LEGO model

1 创意组合模型现状

1.1 创意组合模型概述

乐高（LEGO）是最先问世的丹麦品牌，所生产的积木一直以来都深受儿童的喜爱[2]。乐高生产的模型一面有凸粒，另一面有凹孔，将凸粒装入凹孔就完成了一种简单的组合，同时可以搭配一些辅助道具。乐高模型的类型有1300多种，有超过9.15亿种拼法，零件按照功能不同分为12种颜色，其中红、黑、蓝、白是最常见的配色。乐高有30多个主题，每个主题都有其独特的造型。

慧鱼（Fischertechnik）创意组合模型由德国的Arthur Fischer博士发明，包括许多工程技术类拼装模型，十分适合用作模型组合教学用具，有组合包、培训模型、工业模型3个大类。慧鱼创意组合模型的基本构件（机械元件、电气元件、气动元件）和模块构件（传感器、软件系统）组合成了创新系统，它是一种很好的创新性教育载体[3]，清华大学、哈尔滨工业大学、华中科技大学、河海大学等高校都建立了专门的慧鱼实验室，也设立了基于慧鱼模型的机械创新竞赛，鼓励学生们利用慧鱼模型进行思维拓展，在学习中成长，在创新中丰富自己的阅历。

“探索者”创意组合模型是机器时代（北京）科技有限公司推出的教育机器人平台。在产品设计、运动控制技术、创新设计、先进制造的教学中提供创新性的理念。专业培训分为机械、电子、机器人、工程训练4个培养方向。“探索者”平台注重意识、思维、技巧和素质的培养[4]，它通过机器人模组知识的展示，调用使用者的综合能力。用户先对机器人的创新结构有一个构思，进行机器人的具体实物设计，再运用综合知识完成具体的结构，然后通过结构优化设计，赋予机器人运动技巧。

图2 慧鱼模型底板Fig.2 Base plate of Fischertechnik model

图3 “探索者”模型底板Fig.3 Base plate of “Explorer” model

1.2 创意组合模型的共同点

为了实现创意组合模型的创新化和提高教学的效率，需要研究创意组合模型的共同点，主要涉及自由拼装的零件、简单传动模块和智能控制模块。

1.2.1 自由拼装的零件

创意制作是教学任务之一，创意组合模型基本上都是用底板作为模型的基础，底板可以视为机械结构的机架。乐高模型的底板上排列凸粒，可以和其它零件的凹孔进行拼装，如图1所示。慧鱼模型的底板上排列凹槽，在上面可以自由拼装其他的构件，如图2所示。“探索者”模型的底板上面分布了不同尺寸的圆孔，大圆孔可以拼装直流电机或舵机，小圆孔可以拼装轴类零件或齿轮类零件，如图3所示。根据需求的功能，用户可以运用创新思维并发挥想象力，在底板上拼装齿轮或轮系作为传动部分，也可以拼装槽轮或凸轮作为间歇传动部分。

图4 简单传动类型Fig.4 Simple transmission type

1.2.2 简单传动模块

创意组合模型模仿生活中的实物，依靠传动模块来进行运动。所以传动模块是创意组合模型的必要模块之一，也是创新的重点。创意组合模型可以由电机或者手柄进行驱动，经过传动系统输出为机械能，使模型完成需求的功能，如图4所示。简单传动的类型有齿轮传动、齿轮齿条传动、链传动、带传动、蜗轮蜗杆传动和锥齿轮传动。这些零件在制造时都按照规定的模数进行生产，可以和其它零件自由配合。

1.2.3 智能控制模块

智能控制模块和机械装置的融合可以增加创意组合模型的趣味性，表现设计的创新性。主控板是智能控制模块的硬件载体，通过输入/输出接口连接传感器或电机，处理传感器接受的信号或驱动电机。图形化编程语言是智能控制模块的软件载体，简单易学，用USB连接电脑和主控板或者进行无线通信，把程序烧录进控制器。乐高 Powered Up机械组集线器使用电池供电，可以用蓝牙连接智能手机，通过App进行编程[5]。慧鱼ROBO接口板使用慧鱼9V电源适配器外接电源进行供电，输入接口可以模拟阻抗输入，输出接口可以接马达或电磁线圈，可以扩展无线射频通信模块与计算机无线连接[6]。“探索者”Basra主控板用USB连接计算机进行供电，可以通过PWM（脉冲宽度调制）输出，自动复位电路在烧录程序时不需手动复位[7]。

图5 “趣创新”教仪榫卯结构Fig.5 Mortise and tenon structure of “interesting&innovation”

2 “趣创新”创意组合模型教仪

“趣创新”是慧仪（天津）科技有限公司推出的一种插装式组合模型教学仪器，该公司主要提供创意组合模型的拼装方法和创新设计的理念。“趣创新”的基本构件包括主体件、传动件、连接件和轴套件。模型的搭建没有采用销钉配合，而是通过榫卯结构进行插装，依靠零件的摩擦进行配合。“趣创新”采用探究式的学习方式，用户可以按照科学研究或工程实践流程，运用科学探究过程和工程设计流程，连接抽象知识和实际问题。“趣创新”创意组合模型注重“趣味”和“创新”，目的是让用户在搭建模型的过程中亲身体验创新，在满足兴趣时更深刻地理解创新的意义。

2.1 榫卯结构

慧鱼创意组合模型的机械构件采用工业燕尾槽设计，可以自由拼接其他构件。构件6个面有U形凹槽或突出的方块，凹槽和方块可以相互配合，通过U形凹槽和突起方块的拼接可以实现构件之间的连接。构件拼接的角度一般为0°或90°，如果需要其它角度的连接，可以使用专用的楔形体，楔形体提供的角度有7.5°、15°、30°、60°等。

“趣创新”创意组合模型的零件都是通用的，它利用独特的榫卯结构可以在插槽上扩展很多种组合，“榫”是突出部分，“卯”是凹槽部分，如图5所示。榫卯连接相对于销钉连接的优势在于省去了不同尺寸的螺钉，榫头在凹槽内滑动并依靠摩擦力进行紧固。无螺钉的结构可以有更多种拼装组合，依靠零件接触面的摩擦来稳固结构，零件的材料不同会造成接触面摩擦力不同，如果摩擦力过大会让拼装过程变得困难。运用榫卯结构的创意组合模型摆脱了螺钉的束缚，有更多种拼装方式，可以很好地促进创新设计。

2.2 零件管理体系

由于零件的数量有限，很难保证搭建新模型时有足够的零件，所以一些不需要展示的成品要拆成零件来备用，为新模型的拼装做好准备，尽可能地实现零件的充足，以解决零件紧缺的问题。专门的收纳箱可以促使学生合理地拿取和摆放零部件，有利于提高学生搭建模型的效率，学生有更多的时间构思和动手拼装，而不是把时间花费在寻找零件上[8]。“趣创新”零件箱如图6所示。“趣创新”的零件根据功能不同分为5种颜色，分别为蓝色主体件、红色连接件、黄色轴套件、白色传动件和黑色连杆件。使用者可以通过颜色和形状去理解零件的用途，在拼装模型时快速找到所需的零件，提高了拼装效率，节省了在拼装零件上耗费的时间。

图6 “趣创新”的零件箱Fig.6 Parts box of interesting&innovation

2.3 智能控制模块

“趣创新”创意组合模型采用Arduino UNO R3主控板，该主控板有14个数字输入/输出端口以及6个模拟输入端口，可用于输出PWM波和输入外部中断信号。通过连接到高速微处理器ATMEGA328来与计算机进行串口通信，可用TWI进行通信，也兼容IIC通信。主控板可以接USB直接供电，也可以通过VIN端口接外部电源。可以读取传感器、光敏电阻等电子元件的信号，也可以控制电机和其它设备。智能控制模块的编程语言使用Arduino图形化编程语言，简单易理解，非常适合初学者使用。

2.4 可视化结构

在创意组合模型中，轴类零件负责支撑传动类零件，用于传递回转运动。图7为“趣创新”模型搭建的离合器，拨动侧面的推杆可以改变齿轮的传动比，也改变了输出轴的转速。从外观上看，“趣创新”离合器模型的传动系统是可视化的，可以看到所有啮合的齿轮。

图7 “趣创新”离合器Fig.7 Clutch of “interesting&innovation”

图8 “趣创新”圆孔花键Fig.8 Round hole spline of “interesting&innovation”

“趣创新”离合器的重要构件是圆孔花键，如图8所示。它可以与轴配合，但是不随轴转动，使与之配合的轴作为心轴只承受弯矩。圆孔花键可以进行轴向移动，通过改变传动比来输出不同的转速。

2.5 模型优化设计

创新设计涵盖了很多方面，包括机构设计、传动设计和外观设计等。机构是实现创意组合模型的核心部件，传动体现了模型的运动规律，外观决定了模型的美学价值。设计水平决定了创意组合模型的整体创新水平。本文以“趣创新”单旋翼直升机模型为例，简述创新设计的思路和实施步骤。

直升机模型的设计首先从外观设计入手。模型模仿的是实物的结构和功能，所以外观要形象地表现出实物的特征。设计直升机的起落架和机身部分，确定模型的机构为齿轮副，如图9（a）所示。设计直升机的传动部分，主轴带动主旋翼转动，锥齿轮将运动传递到尾桨，使用电机进行驱动，主旋翼和尾浆同时转动，如图9（b）所示。模型符合现实中直升机的外观和功能，在拼装过程中没有用到螺钉，仅依靠零件之间的摩擦力进行稳固，不需要使用扳手和螺丝刀。

图9 “趣创新”单旋翼直升机模型Fig.9 Single-rotor helicopter model of “interesting&innovation”

3 创意组合模型存在问题

创意组合模型发展了几十年，已经取得了大量的设计成果，特别是对于创新性教学设计也取得了一定的效果。然而，现有的创意组合模型依然没有广泛地应用于课堂上，究其原因存在以下问题。

3.1 拼装特殊模型时零件难以满足需要

现有的创意组合模型在制造零件时，为了生产的规模化和标准化都是按照一定的基准对零件进行设计和制造。创意组合模型的开发者在设计零件时，更倾向于考虑一般情况，基本上不会设计出特殊零件，这就为创新的过程增加了阻力。用户大多使用3D打印技术来弥补这个缺陷，但是3D打印出来的零件也只能适用于个别模型，而无法将其推广到整个产品中去。创意组合模型的开发者应该及时了解用户的需求，在解决需求的过程中推动产品的创新设计。

3.2 学科交叉的思想没有完全普及

创意组合模型的设计灵感来自于现实世界，使用者搭建出来的模型大多是仿照生产与生活中的实物。设计方式的多元化是学科交叉的体现，虽然大多数创意组合模型都是模仿工业产物，但是用于搭建模型的创新性思维也适用于非工科的学生，例如数学类的学生在拼装模型的过程中可以学习零件之间的拓扑关系。创意组合模型不仅可用来拼装零件和模仿实物，而且还可用来拓展思维、探索未知，更是用于帮助学生养成严谨和求知的态度。

4 总结

设计与开发国产创意组合模型教仪，大力发展国产创新型教育产品，可以有效提升职业院校学生创新教育的教育质量。本文在综述国内几种创意组合模型现状及共同点的基础上，得出：智能控制是创意组合模型的发展必然，图形化编程语言是创意组合模型的特有工具，学科交叉以及拼装特殊模型的需求会有力推动创意组合模型的创新发展。