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机械设计教学中思维可视化技术的应用研究

作者:2015-02-04 15:57文章来源:未知

  机械设计是高等学校工科机类、近机类专业学生的一门重要技术基础课。在工科专业学生的本科学习阶段,该课程起着由基础课程到专业课程的过渡作用。通过对该课程的学习不但使学生掌握发通用零件的具体设计计算方法,而且还掌握了常用机械结构的设计方法,更重要的是培养了学生灵活应用基础理论知识解决工程实际问题的能力以及机械结构的创新设计能力。

  一、机械设计教学的新特点

  机械设计课程的知识体系庞杂,其本身内容丰富,包括传动、联结、轴系零部件、其他零部件等多种常用零部件设计,素有“三多三难”的特点,即“内容多,难掌握;零件类型多,设计方法难统一;参数、公式、图表多,难记忆”。另外,与其他学科关系紧密,与力学、工程材料、公差配合、制造工艺、设计方法学、摩擦学等领域知识交叉贯穿。机械设计课程的应用性和实践性较强,对知识的掌握属于非应试型,强调在实践中培养学生的工程思维方式与创新能力。

  信息化技术的高速发展及高校教育的改革推动着机械设计课程的教学改革,教学方法和手段更加先进。例如,电子教案的使用使课堂教学包含了更大的知识容量;计算机辅助动画制作把机械工作原理和运动进程以更加生动形象的效果展示给学生;计算机辅助分析为设计提供了参考依据;网络化课堂为课程提供了第二课堂和师生互动的平台。教学方法与手段的先进性为机械设计教学带来了提升,但也产生了一些弊端。首先,教学容量增加和教学时数缩减的矛盾促使整个教学节奏加快。为完成教学进度,课堂教学变成了一种“填充式”教学,学生的学习不得不成为一种“速食学习”。这导致教学模式更倾向于“感知记忆”层面,学生“学得多,忘得快”,对知识的掌握浮于表面,难以深入知识背后的联系以建立知识结构系统。其次,应试教育模式导致授课过程中教师忽略学生能力的培养,缺少思维训练过程,学习变成一种死读书,不符合机械设计课程的认知特点。

  思维可视化技术把看不见的思维过程和方法以可视化的形式清晰地呈现出来。本文在机械设计课程教学中引入思维可视化技术,不但有利于学生建立系统的知识结构,而且有助于培养学生的工程思维与创新能力。

  二、机械设计教学中思维可视化技术的应用

  思维可视化是指将不可见的思维路径、方式、规律运用图示或图示组合的方式呈现出来,其本质是隐J哇思维显性化的过程。实现“思维可视化”的技术主要包括思维导图、流程图、概念图等图示技术和相应的软件技术。其中,思维导图是由英国托尼·巴赞于20世纪60年代提出的。它从一个主题开始,对彼此间有关联的信息进行分层、分类管理,逐步建立一个有序的发散思维图,对思维过程进行导向和记录。

  1.建立机械设计课程内容体系的思维导图。本文应用可视化技术建立机械设计课程的思维导图,实现课程知识结构图像化。例如,在讲授标准齿轮的几何尺寸计算内容时,出现大量齿轮几何参数名称及尺寸计算公式,学生往往感到参数繁多,公式难以掌握。按照多向思维,从径向和周向两个方向对齿轮参数和尺寸进行分类,可以使问题简化,并建立图1所示的齿轮机构几何参数和尺寸思维导图。对于一个标准渐开线外齿轮,齿轮上有4个圆,分别是齿顶圆、齿根圆、分度圆、基圆;有一个角,即压力角。以分度圆作为重要的基准圆,分别沿着径向和周向两个方向描述圆的几何参数,径向上有分度圆直径(和半径)、齿顶圆直径(和半径)、齿根圆直径(和半径)、基圆直径(和半径)以及齿顶高、齿根高等尺寸,周向上各圆有齿距(或周节)、齿厚、齿槽宽等尺寸。面对于一对标准渐开线外啮合齿轮,除了每个齿轮上的4个圆,多出一对相切节圆和一条啮合线。因此,沿径向方向多了节圆直径(和半径)、中心距,沿周向方向多了节圆的齿距(或周节)、齿厚、齿槽宽,此外,还有描述啮合线位置的啮合角。学生参考思维导图对比学习就很容易理解和记忆这些知识了。

  又如,机械设计课程整体体系的思维导图使得学生从宏观层面建立了机械设计课程比较系统的理论框架,了解了与其他课程内容的联系纽带,而各章节基本内容和重点知识的思维导图,便于学生进行知识梳理,从而提高了机械设计课程学习效率。比如学习“齿轮机构”这章内容时,由于概念多、公式多,齿轮啮合运动特性复杂,加之齿轮传动设计计算公式复杂,学生普遍感到知识容量大,掌握起来困难。对直齿轮、斜齿轮、圆锥齿轮、涡轮蜗杆机构和传动建立思维导图,学生对照思维导图采用类比思维来学习就容易多了。思维导图架构机械设计各知识群之间的枢纽,呈现知识点之间的内在联系,帮助学生更好地掌握知识脉络,提高教学效果。

  2.基于思维导图的机械设计思维训练。思维导图符合人脑的思维模式,有利于发散思维的展开,可以有效地引导设计者的思考顺利进行。在机械设计过程中,借助思维导图描述帮助创新思维的深入展开。例如,在减速箱的设计过程中,让学生把设计步骤、参数和结构按照工程逻辑用思维导图表示出来,一边设计思考一边做出思维导图,可以辅助设计过程顺利完成。机械设计教学中,应用思维导图可以培养机械设计的工程逻辑思维和创造性思维。

  三、总结

  思维可视化描述方法符合机械设计课程的认知心理学特点和工程设计的逻辑思维,可以更好地提高教师的课堂教学实效,不但有利于学生高效掌握课程知识体系,而且有利于培养学生的工程逻辑思维和创造性思维。作为机械设计课程教学改革的尝试,实践证明,在机械设计教学中应用思维导图技术有效提高了教学质量,增强了教学效果。

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