機械設(shè)計教學(xué)中思維可視化技術(shù)的應(yīng)用研究優(yōu)秀論文
機械設(shè)計是高等學(xué)校工科機類、近機類專業(yè)學(xué)生的一門重要技術(shù)基礎(chǔ)課。在工科專業(yè)學(xué)生的本科學(xué)習(xí)階段，該課程起著由基礎(chǔ)課程到專業(yè)課程的過渡作用。通過對該課程的學(xué)習(xí)不但使學(xué)生掌握發(fā)通用零件的具體設(shè)計計算方法，而且還掌握了常用機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，更重要的是培養(yǎng)了學(xué)生靈活應(yīng)用基礎(chǔ)理論知識解決工程實際問題的能力以及機械結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計能力。
一、機械設(shè)計教學(xué)的新特點
機械設(shè)計課程的知識體系龐雜，其本身內(nèi)容豐富，包括傳動、聯(lián)結(jié)、軸系零部件、其他零部件等多種常用零部件設(shè)計，素有三多三難的特點，即內(nèi)容多，難掌握;零件類型多，設(shè)計方法難統(tǒng)一;參數(shù)、公式、圖表多，難記憶。另外，與其他學(xué)科關(guān)系緊密，與力學(xué)、工程材料、公差配合、制造工藝、設(shè)計方法學(xué)、摩擦學(xué)等領(lǐng)域知識交叉貫穿。機械設(shè)計課程的應(yīng)用性和實踐性較強，對知識的掌握屬于非應(yīng)試型，強調(diào)在實踐中培養(yǎng)學(xué)生的工程思維方式與創(chuàng)新能力。
信息化技術(shù)的高速發(fā)展及高校教育的改革推動著機械設(shè)計課程的教學(xué)改革，教學(xué)方法和手段更加先進。例如，電子教案的使用使課堂教學(xué)包含了更大的知識容量;計算機輔助動畫制作把機械工作原理和運動進程以更加生動形象的效果展示給學(xué)生;計算機輔助分析為設(shè)計提供了參考依據(jù);網(wǎng)絡(luò)化課堂為課程提供了第二課堂和師生互動的平臺。教學(xué)方法與手段的先進性為機械設(shè)計教學(xué)帶來了提升，但也產(chǎn)生了一些弊端。首先，教學(xué)容量增加和教學(xué)時數(shù)縮減的矛盾促使整個教學(xué)節(jié)奏加快。為完成教學(xué)進度，課堂教學(xué)變成了一種填充式教學(xué)，學(xué)生的學(xué)習(xí)不得不成為一種速食學(xué)習(xí)。這導(dǎo)致教學(xué)模式更傾向于感知記憶層面，學(xué)生學(xué)得多，忘得快，對知識的掌握浮于表面，難以深入知識背后的聯(lián)系以建立知識結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。其次，應(yīng)試教育模式導(dǎo)致授課過程中教師忽略學(xué)生能力的培養(yǎng)，缺少思維訓(xùn)練過程，學(xué)習(xí)變成一種死讀書，不符合機械設(shè)計課程的認知特點。
思維可視化技術(shù)把看不見的思維過程和方法以可視化的形式清晰地呈現(xiàn)出來。本文在機械設(shè)計課程教學(xué)中引入思維可視化技術(shù)，不但有利于學(xué)生建立系統(tǒng)的知識結(jié)構(gòu)，而且有助于培養(yǎng)學(xué)生的工程思維與創(chuàng)新能力。
二、機械設(shè)計教學(xué)中思維可視化技術(shù)的應(yīng)用
思維可視化是指將不可見的思維路徑、方式、規(guī)律運用圖示或圖示組合的方式呈現(xiàn)出來，其本質(zhì)是隱J哇思維顯性化的過程。實現(xiàn)思維可視化的技術(shù)主要包括思維導(dǎo)圖、流程圖、概念圖等圖示技術(shù)和相應(yīng)的軟件技術(shù)。其中，思維導(dǎo)圖是由英國托尼巴贊于20世紀60年代提出的。它從一個主題開始，對彼此間有關(guān)聯(lián)的`信息進行分層、分類管理，逐步建立一個有序的發(fā)散思維圖，對思維過程進行導(dǎo)向和記錄。
1.建立機械設(shè)計課程內(nèi)容體系的思維導(dǎo)圖。本文應(yīng)用可視化技術(shù)建立機械設(shè)計課程的思維導(dǎo)圖，實現(xiàn)課程知識結(jié)構(gòu)圖像化。例如，在講授標(biāo)準(zhǔn)齒輪的幾何尺寸計算內(nèi)容時，出現(xiàn)大量齒輪幾何參數(shù)名稱及尺寸計算公式，學(xué)生往往感到參數(shù)繁多，公式難以掌握。按照多向思維，從徑向和周向兩個方向?qū)X輪參數(shù)和尺寸進行分類，可以使問題簡化，并建立圖1所示的齒輪機構(gòu)幾何參數(shù)和尺寸思維導(dǎo)圖。對于一個標(biāo)準(zhǔn)漸開線外齒輪，齒輪上有4個圓，分別是齒頂圓、齒根圓、分度圓、基圓;有一個角，即壓力角。以分度圓作為重要的基準(zhǔn)圓，分別沿著徑向和周向兩個方向描述圓的幾何參數(shù)，徑向上有分度圓直徑(和半徑)、齒頂圓直徑(和半徑)、齒根圓直徑(和半徑)、基圓直徑(和半徑)以及齒頂高、齒根高等尺寸，周向上各圓有齒距(或周節(jié))、齒厚、齒槽寬等尺寸。面對于一對標(biāo)準(zhǔn)漸開線外嚙合齒輪，除了每個齒輪上的4個圓，多出一對相切節(jié)圓和一條嚙合線。因此，沿徑向方向多了節(jié)圓直徑(和半徑)、中心距，沿周向方向多了節(jié)圓的齒距(或周節(jié))、齒厚、齒槽寬，此外，還有描述嚙合線位置的嚙合角。學(xué)生參考思維導(dǎo)圖對比學(xué)習(xí)就很容易理解和記憶這些知識了。
又如，機械設(shè)計課程整體體系的思維導(dǎo)圖使得學(xué)生從宏觀層面建立了機械設(shè)計課程比較系統(tǒng)的理論框架，了解了與其他課程內(nèi)容的聯(lián)系紐帶，而各章節(jié)基本內(nèi)容和重點知識的思維導(dǎo)圖，便于學(xué)生進行知識梳理，從而提高了機械設(shè)計課程學(xué)習(xí)效率。比如學(xué)習(xí)齒輪機構(gòu)這章內(nèi)容時，由于概念多、公式多，齒輪嚙合運動特性復(fù)雜，加之齒輪傳動設(shè)計計算公式復(fù)雜，學(xué)生普遍感到知識容量大，掌握起來困難。對直齒輪、斜齒輪、圓錐齒輪、渦輪蝸桿機構(gòu)和傳動建立思維導(dǎo)圖，學(xué)生對照思維導(dǎo)圖采用類比思維來學(xué)習(xí)就容易多了。思維導(dǎo)圖架構(gòu)機械設(shè)計各知識群之間的樞紐，呈現(xiàn)知識點之間的內(nèi)在聯(lián)系，幫助學(xué)生更好地掌握知識脈絡(luò)，提高教學(xué)效果。
2.基于思維導(dǎo)圖的機械設(shè)計思維訓(xùn)練。思維導(dǎo)圖符合人腦的思維模式，有利于發(fā)散思維的展開，可以有效地引導(dǎo)設(shè)計者的思考順利進行。在機械設(shè)計過程中，借助思維導(dǎo)圖描述幫助創(chuàng)新思維的深入展開。例如，在減速箱的設(shè)計過程中，讓學(xué)生把設(shè)計步驟、參數(shù)和結(jié)構(gòu)按照工程邏輯用思維導(dǎo)圖表示出來，一邊設(shè)計思考一邊做出思維導(dǎo)圖，可以輔助設(shè)計過程順利完成。機械設(shè)計教學(xué)中，應(yīng)用思維導(dǎo)圖可以培養(yǎng)機械設(shè)計的工程邏輯思維和創(chuàng)造性思維。
三、總結(jié)
思維可視化描述方法符合機械設(shè)計課程的認知心理學(xué)特點和工程設(shè)計的邏輯思維，可以更好地提高教師的課堂教學(xué)實效，不但有利于學(xué)生高效掌握課程知識體系，而且有利于培養(yǎng)學(xué)生的工程邏輯思維和創(chuàng)造性思維。作為機械設(shè)計課程教學(xué)改革的嘗試，實踐證明，在機械設(shè)計教學(xué)中應(yīng)用思維導(dǎo)圖技術(shù)有效提高了教學(xué)質(zhì)量，增強了教學(xué)效果。
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