慧鱼创新学院特色课程与教学模型

第一篇：慧鱼创新学院特色课程与教学模型

在智能硬件与人工智能融合的时代，机器学习已经成为主流。让机器学会理解指令，并按照人的意愿去运转，会给未来的工业创造巨大的契机。而实现机器自主学习的基础，是让机器接受并理解这些指令。在慧鱼创新学院这些具有创造性的教学模型当中，学员们将需要通过会与特有的TXT控制器与ROBO PRO编程软件去学会一些基础的编程，从而打开程序学习的大门，迎接未来的人工智能时代。

慧鱼创新学院的课程涉及光学、气动、机械结构、机械传动、电子电路，逻辑编程，人工智能等跨学科融合的知识体系。通过探究原理到动手实践，培养学生的创造力、创新意识、团队协作力、自信心、表达能力、专注力、思考力，引导学生完成创新方案的设计，项目的具体实施，作品的组装调试与最终的升华和改造。

慧鱼创意组合模型提供与STEM学科领域课程（如物理学，工程技术和自然科学）相关的主题，并帮助学生掌握机械和技术原理的基本知识。40种不同的模型被用来包括滑轮和起重机，齿轮，转向，静力学等等。简单的机械零件可以用于自主与团队合作中的学习，并且已经成为许多学校的经典选择。

TXT控制器与其他慧鱼创新学院的教具一样都是于德国原装进口，完全符合欧盟CE及中国3C质量标准。TXT配套慧鱼创新学院的ROBO PRO系统适合10岁及以上的孩子使用，如果有一定SCRATCH编程基础也可提前上手。

ROBO Pro 软件是慧鱼创新学院针对 ROBO TXT 控制器、ROBO 接口板的编程软件。使用流程图式的图框编程过程，用户只需进行简单的学习，加上已有逻辑思维能力，就可以轻易上手。

拥有先进的教具与编程软件只是一个基础，还需要科学的教学方法，让学员们迅速有效地接受这些新的知识，并很好地融入到这个知识体系中。慧鱼创新学院采用了先进的PBL教学授课模式，PBL教学法即Problem-Based Learning，是以问题为基础，以医学生为主体，以小组讨论为形式，在辅导教师的参与下，围绕某一医学专题或具体病例的诊治等问题进行研究的学习过程。PBL是以问题为导向的教学方法，是以学生为中心的教育方式。PBL教学法的优点

(1)顺应时代的发展要求 PBL教学法在教学过程中以学生为主体，学生通过查找资料和讨论来解决问题，锻炼了学生的自学能力、解决问题的能力，并有效的开发了学生的潜力和创造力，这适应了当今社会对创新型人才的需要。(2)调动学生的主动性和积极性 PBL教学中学生变被动学习为主动学习，学生通过自主学习以及组内讨论来解决问题，成为了课堂的主体，这提高了学生的学习兴趣，调动了学习的积极性。

(3)提高学生的综合素质 PBL教学形式多样，突破了传统的授课模式，既有课下的自主学习，又有课上的小组讨论，这不但提高了学生的自学能力和解决问题的能力，也提高了学生的团队协作能力以及沟通能力和表达能力，这有利于学生的个人发展，也适应了了当代社会对综合性素质人才的需要。(4)提高学生对所学知识的运用能力打破了学科的界限，变学科式学习为系统式学习，锻炼了学生自主学习的发散思维和横向思维，这大大提高了学生对所学知识的运用能力。

时代总在不断的发展，新的经济形势，新的生产方式不断地挑战人们自主学习的能力。Google早就已经指出，人工智能是未来的主流，并早已开放TensorFlow机器学习语言的代码，供全世界去学习机器语言，学习人工智能。在鼓励编程，鼓励机器与人工结合的道路上，发达国家的经验值得我们借鉴。慧鱼创新学院，就是一个鲜明的例子，它来自德国，将为我们开辟出新的天地。

第二篇：慧鱼模型感想

这个暑假留校学习，我感觉真的获益匪浅，这真得归功于基地开放式实验教学的实践，而慧鱼模型实验就是很好的例子，它给我们提供了创新动手实践的条件，使我们发挥出前所未有的想象力。我吗在课堂所学知识的基础上，结合生活生产实际，运用自己的思维潜力创作出了新作品。在创作过程中，每一个难点、每次挫折都是对我们创新意识的考验，都是经验的积累，都是智慧的沉淀。慧鱼模型实验是一门非常有意义且有趣的课，它大大得激发了我们的想象力和创造热情，以及从中得到留意生活的重要性。同时题目的选定和组合模型的方案拟定就准确地暴露了我们缺乏生活经验的问题。脑子一片空白或是思路只能停留在各种车之间，而不能发散。

除此之外，我们还学到了如何将各门知识衔接与综合运用。由于我们的创新实验利用慧鱼模型组装出完整的机械系统，如我们这次做的模拟码头货物搬运系统，且运行控制良好，具有创新性。它涉及到机、电、控制、传感技术和计算机技术等多方面知识。而我们在课堂上所学都是单门知识，所作的实验也都是针对一门课的，很少有将这些知识综合运用的机会。因此种有别于课堂的实践机会让我们的创新思维得到进一步的培养。

还很有意义的是，我们学会了如何使用llwin控制程序的编制与调试。各执行机构的同步协调与合理布置。各执行机构的同步协调在于程序编制的逻辑关系、时间控制、空间安排和控制方法。如果没有搞懂它们之的关系，调试时经常撞车和不协调。如码头货物搬运两辆搬运车经常撞车，这必须一小步一小步地调试，不断摸索，才能达到和睦状态。

至今，我还很怀念那段和组员一起在实验室奋斗的日子。

第三篇：慧鱼模型建模及改进

学 院 名 称

创新创业实践2

慧 鱼 模 型 建 模 滑动秤锤式测量计

陈仲键 201130510203

指 导 教 师

王慰祖

工程学院 专业及班级 1

11机制2

目 录

一、建模.................................................................3 1.1 模型名称..............................................................3 1.2 概述..............................................................3 1.3 慧鱼模型零件建模......................................................3 1.4 滑动秤锤式测量计建模................................................3 1.4.1 测量计组成........................................................3 1.4.2 分析..............................................................3

二、性能拓展及改进.........................................................7 2.1 问题分析.............................................................7 2.2 改进方案............................................................8

三、总结与感想..........................................................10

一、建模

1.1 模型名称：滑动秤锤式测量计 1.2 概述：

常见的测量物体重量的天平为对称式，而滑动秤锤式测量计采用非对称式平衡，利用杠杆原理，结构简单，且实用方便。此次将以其为例子对其进行建模，并进行功能分析等。

1.3 慧鱼模型零件建模

慧鱼模型零件为统一标准零件，因此可以组合出各种模型，然而并非所有零件都会用到，对于绝大多数普遍会使用到的零件我们小组进行分工画图，然后通过实体建模，再确定自己的模型需要哪些特别零件，自己再进行补充建模。

1.4 滑动秤锤式测量计建模 1.4.1 测量计组成

测量计包括底板，支架，杠杆（含刻度），秤砣，挂盘，指针共6大部分

1.4.2 分析

1）底板

起支撑固定作用，支架等其他零件需要安装固定在其上。

2）支架

支架底座为三角架，受力较均匀，不易倾倒。三脚架上的红色长方形薄片上正中有0刻度，为

观察指针是否偏斜，判断物体与秤砣两边是否平衡。再往上支架顶端有安装杠杆用的套筒，通过轴杆与杠杆相连。

3）杠杆

支架，挂盘，指针，秤砣都需要连接在杠杆上，杠杆长度较长，作为其他部件的连接件，杠杆要求刚度较高，在承受较大的力时不易变形，防止结构破坏或者造成读数不准确。

4）挂盘

挂盘作为物体的承载部件，其刚度也要求较高，另外，为避免因挂盘自身过重而造成杠杆量程变短，挂盘的材质可选择采用PP塑料。

5）秤砣

秤砣为使测量计两边相平衡的部件，采用圆盘式的结构可使其重量均衡安装在杠杆上固定后较为稳定，中间挖空形式令其可方便拆卸，不使用时可回收安放好。

6）指针

安装固定在杠杆支点处，质量轻，结构简单。随着两边倾斜而偏移。

7）测量计总装配

下图为测量计的装配总图，从生产工艺方面来说，各部件并不复杂，结构简单，加工容易。部件对于力学性能的要求所需用到的材质也是市面上容易找到的，价格便宜。而从结构设计方面来说，测量计所需部件少，安装方便，当出现损坏等情况时，可以快速更换损坏部件。总的来说，此测量计性能较好，能满足日常小物体重量的快速测量的功能。

二、性能拓展及改进

2.1 问题分析 2.1.1 量程短

杠杆的量程有限，测量范围较小，如果直接增加其长度，则对其力学性能的要求也相对增加，较为麻烦。

2.1.2 单支架不太稳定

地板上只有一个支架，当测量物体重量较大时，对于支架的受力较大，容易折断破坏。

2.1.3 手动调节不精确

测量计两边平衡需要人通过肉眼观察指针位置进行确定，这样容易造成误差，读数不准确。

2.2 改进方案 2.2.1 增加秤砣数量

在原有秤砣两侧增加两个固定部件，当所测物体重量较大时，可增加秤砣数量，根据F1*S1=F2*S2，当增加到三个秤砣时相当于增大到3倍量程。

2.2.2 双支架固定

利用双支架增加仪器的稳定性，其中一支架可采用高硬度透明材质，便于观察读数。

2.2.3 采用传感器进行微调

0刻度指示牌上安装传感器，一开始时先进行手动快速调节，观察指针位置离0差不多时，开启传感器，传感器与秤砣相连，自动微调秤砣位置，进行精确定位。

三、总结与感想

此次慧鱼模型建模通过实体建模与功能设想及分析大大提高了我自己的动手能力以及锻炼了工程思维，在这个过程中，我认为最重要的环节是对于问题的探求，思考机构本身存在的问题，通过问题再进行解决，无疑在日后的学习与工作中均能起到促进的作用。比较遗憾的地方是慧鱼模型的零件种类并不齐全，数量也不太足够，基本上只能拼接一些小型简单的结构，一些想要进行实体设计的模型因为缺乏零件而只能在脑中想象。希望以后的课程可以继续完善。总的来说此次建模收获良多，自身的建模与画图能力也有了相应的提高。

第四篇：教案-简易物体结构模型(慧鱼创意组合模型)

教案-简易物体结构模型（慧鱼创意组合模型）

实训目标：

1．了解慧鱼结构包的诞生及意义、价值。

2．了解并掌握慧鱼结构包各构件名称、用法及如何组装。

3．掌握组装简易物体结构的方法与技能，探索不同结构形状的牢固程度。4．激发和培养学生的动手、动脑能力，拓宽知识面，培养创新意识。

实训材料：慧鱼结构包，部分模型（如图）

实训过程：

1．介绍慧鱼结构包的来历及意义、价值。

2．识别零件：介绍构件名称及用法，教给简单的拼装方法。

3．教师示范制作一物体模型：房子。

结构是一种能承受负载的东西,它必须能承担起自身的重量和足够的负载。观察下列图示，思考各种形状所能承受的压力大小，认识到三角形是一种天然稳定结构，房子、桥梁都会用到这种结构。

桥梁

子

桌子房仔细观察下图，这是个四边形，本可以自由转换成平行四边形。想一想，装上中间的斜杠后，还能自由变换成其他图形吗？

4．学生独立拼装房子模型。展示自己的房子模型，比一比，谁的房子结构更牢固、更完美、更有创新意识。

秀一秀，说一说：

你还会拼装更复杂点的其他结构模型吗？试一试，2人为一组，合作拼装一座桥梁，做

一回桥梁设计师，当一次能工巧匠。拼装完工后相互点评，哪一组拼装的桥梁模型更牢固，更能赢得大家的喝彩。

课外拓展：

探索纸结构的承重

1．用相同的卡纸（或一种较厚的纸片），做成不同形状的桥（如图所示），试一试，哪种形状的桥最牢？为什么？

2．比一比，哪种纸结构能承受的重量最大？

用一张10×25cm的厚纸和一条2×30cm的胶纸制作各种纸结构（可采用图中形状，也可自由创作）。在纸结构上面放一10×10cm轻质塑料板，再在板上不断加重，直至结构变形为止。从中可以比较出哪种结构最能承重，你知道其中的奥秘吗？

知识联接：

慧鱼模型作品欣赏

爬楼梯爬坡围棋

第五篇：慧鱼创新培训教案

一、慧鱼产品的简介

1964年，慧鱼创意组合模型（fischertechnik）诞生于德国，是技术含量 很高的工程技术类智趣拼装模型，慧鱼创意组合模型的主要部件采用优质尼龙塑胶制造，尺寸精确，不易磨损，可以保证反复拆装的同时不影响模型结合的精确度；构件的工业燕尾槽专利设计，使六面都可拼接，独特的设计可实现随心所欲的组合和扩充。

慧鱼创意组合模型主要有组合包、培训模型、工业模型三大系列，涵盖了机械、电子、控制、气动、汽车技术、能源技术和机器人技术等领域和高新学科，利用工业标准的基本构件（机械元件/电气元件/气动元件），辅以传感器、控制器、执行器和软件的配合，运用设计构思和实验分析，可以实现任何技术过程的还原，更可以实现工业生产和大型机械设备操作的模拟，从而为实验教学、科研创新和生产流水线可行性论证提供了可能，世界知名的德国西门子、德国宝马、美国IBM等一大批著名公司都采用慧鱼模型来论证生产流水线。

这里所说的工业标准的基本构件，是指我们在机械原理和零件里所学的，构成机械结构的基本构件，比如：传动用的齿轮、涡轮涡杆、连接用的轴、把转动变成轴向移动的滚珠丝杠，以及连杆、齿轮齿条、联轴器等等。我们把这些基本原件用一定的次序组装起来，得到可以实现预定功能的机械产品。

所说的传感器，并不是象大家想象中的那些电子原器件产品，它指的是触点开关，可以是常开状态，也可以是常闭状态，当状态发生改变时，可以做为一个信号引入控制程序，以改变驱动电机的状态。

软件是慧鱼专用的软件，是一个非常易于掌握和使用的工具软件，把慧鱼现有的零件模块化，象做程序流程图一样，用带箭头的边线将不同一模块联接起来，就可以使所搭建的产品产生特定的动作。

比如：以三自由度机械手为例。

三自由度机械手的三个自由度分别指：沿Z轴的旋转、沿Z轴的直线移动和沿X轴的轴向直线移动，通过这三个动作，可以将机械手的末指手指移动到任意的空间位置，再通过手指的张开和闭合，实现对物料的抓取和搬运。这三个运动的驱动，我们们选择电动机驱动，轴向的直线移动用滚珠丝杠来实现，手指的张开和闭合用丝杠加连杆机构来实现。

现在我们还计算一下所需的电机的数量：Z轴旋转需要一个电机、Z轴直线移动需要一个电机、X轴的直线移动需要一个电机，然后，手指的张开和闭合需要一个电机，合计四个电机。

再计算一个传感器，也就是开关的数量：Z轴旋转时有三种方式可以限定：第一种是用时间延迟，让Z轴旋转电机转5秒后，停止，转换到Z轴移动；第二种是用计数的方法，即加一个开关，让电机带动轴旋转的同时，每转一转可以压合一次开关，设置一个开关闭合的次数来限定电机工作的时间；第三种，就是在空间位置上，放置两个开关，一旦这两个开关中的一个闭合，就可以改变Z轴电机的工作状态，这三种方法中，第一种和第二种分别要精确控制Z轴的起始位置，否则无法让机械手运动到指定的空间位置，第三种是最为理想的。这样，Z轴的旋转需要两个开关1和2，同理，Z轴的移动需要两个开关3和4，X轴的移动需要两个开关5和6，然后手指的张开和闭合需要两个开关7和8，这样需要八个开关。这是最复杂的情况，如果简化一下，手指部分需要一个开关也可以，闭合运用按所抓物料的大小，用时间来控制，那么，七个开关就可以完成控制。

电机的运行状态有三种：顺时针旋转、停止、逆时针旋转。设Z轴旋转电机顺时针旋转即为使机械手本体顺时针旋转，转到开关2位置，开关2闭合，然后Z轴旋转电机停止，Z轴移动电机运行，也设顺时针旋转为上升状态，升到指定位置，开关4闭合，Z轴移动电机停止，X轴移动电机顺时针旋转，使机械手沿X轴直线伸出运动，直至使开着6闭合，X轴移动电机停止，然后手指部分电机顺时针旋转，手指张开，抓到物料，至开关7闭合，手指开始闭合，即手指部分电机开始逆时针旋转，5秒后，停止，这时，已经抓到物料，然后前面所有的动作全部反过来，运行一遍，三自由度机械手回到初始位置。

从这个实例可以看出来,对慧鱼模型的控制，最关键的两个部件就是驱动马达和传感器（即触点开关），只要让触点开关的马达合理组合，就可以实现不同的运动。慧鱼模型的常用零件，每个零件都有插槽，可以相互联接。慧鱼模型的搭建有两个部分：机械结构的实现和控制系统的设计。二者缺一不可。让慧鱼模型动起来的，赋有生命力的就是控制软件，这是一个简单易懂易掌握的软件。

在讲解软件之前，我们得先知道，把慧鱼模型和电脑联接起的中间介质是一块电路板，这是慧鱼专用的接口板，有两种，一种是早期的智能接口板，另一种是ROBO接口板，二者的区别的接口不同，早期的智能接口板和电脑相联的时候，使用的是COM针式串口，ROBO接口板则用USB口和电脑相联。

ROBO板最多可以接四个马达，接七个传感器，如果机械结构里的马达和传感器多于以上数字，则考虑要用两块接口板。

软件部件，首先“新建文件”，然后设置“USB/COM口”，然后开始程序的编制。可以先打开测试系统，测试任一个马达，对应的是哪一个运动，顺时针和逆时针回转时对应的是哪一个运动，并可以看出相对应的传感器是那个编号，以便后来的编程工作顺利进行。

插入程序模块：直接从窗口左侧按鼠标左键拖动相关的程序模块拉进右侧的程序编译窗口即可。

移动程序模块：选中相关的模块，然后按左键在右侧窗口拖动到预定位置即可。

删除程序模块：点击工具栏里的“删除”，变成手型，然后点击要删除的程序模块即可。

相关的模块：

“开始”，这是一个程序开始的标志，每个程序都以此模块开头。“结束”，这是一个程序结束的标志，每个程序都以此模块结尾。“延迟”表示上一个动作的延迟时间，参数可以自己设定。

“等待输入”表示等待接口板的某个输入由一种特定的方式改变为另一种特定的状态，这个模块共有五种状态：输入为1（闭合）时，状态变化；输入为0（断开）时，状态变化；跳变0-1（打开到闭合）时，状态变化；跳变1-0（闭合到打开）时，状态变化；任意状态跳变（0-1或1-0）时，状态变化。

“脉冲计数”表示开着被闭合和断开的次数。“循环计数”表示整体运行的时间，如果从1端引入，表示计数器被置1，如果从+1端引入，表示计数器+1，当Z大于设定值时，程序停止。

二、具体的实例

目前现有的割草机分为两类，一类为手推式，一类是背负式，这两种割草机都有其自身的局限，前一种劳动强度大，后一种割草质量完全依赖工人水平。而且，现在庭院的草坪全部是小面积绿草，并嵌有灌木或其他障碍物，不利于前两种割草机工作。基本以上原因，我们用慧鱼模型设计并搭建了一种小型自动割草机。

这是我们所设计小车的整体外观，它由刀具体要求及升降系统，风机收草系统和倒草系统，躲避障碍系统组成。

工作原理为：驱动电机带动刀具做往复直线运动，当遇到边缘及前方障碍时，小车会自动后退并转向，小车前进过程中对草坪地面高低进行检测，通过调整刀具高低来保证草坪平齐，这个过程是小车运动中是实时的，剪下的碎草由风机收集，并通过风筒进入收草箱，收草箱由齿条运动到车尾，并由装卸装置及电磁铁将草倒掉并复位，刀具复位完成整个过程。

刀具是由金属刀具和上下护刀架组成，以电机为动力源，通过偏心轮带动刀具做往复直线运动，护刀架尺寸比刀具长5MM，起到扶直草的作用，升降系统是为了能调整所割草坪的高度，并且可以和检测地面高低装置配合，实现在凸凹不平的地面上实时的调整刀具高度，以剪出高度一致的草坪的作用。

风机收草系统是利用吸尘器原理，在小车上安装风机由电机通过齿轮组带动两个叶片经风筒对碎草的收集，其优点为收草干净且结构简单。碎草经风筒进入收草箱，收草箱是由有机玻璃与慧鱼模块搭建的，起名为慧鱼联接，草收集后，电机带动收草箱通过齿条及辅助滑道到达割草机的尾部。

通过装卸装置与电磁铁使收草箱将草倒掉并复位，该装置设计时是本着使模型整体面局合理，上下呼应的原则，否则上轻下重，割草机后部空旷。

躲避障碍系统有两大功能：检测草坪地面高低与检测边缘功能。为了使割草机的运动更为平衡，我们采用四轮驱动，并在底部加了起支撑作用的万向轮。电机与车轮，以及万向轮与底盘的安装方式见PPT图。

该作品可以平齐的修剪草坪，割草、收草和倒草的全过程自动完成。创新点在于：可以自动的完成检测草地边缘和在一定范围内自适应的调整修剪草坪的高度，且利用风来收集碎草，干净整洁效率高。

随着未来城市绿化面积的增加，割草机作为环卫产品将更多的走进人们的生活。该割草机在设计中使用常规零件，在实现既定功能同时又利于维修，适合在小面积且有障碍物的草坪上使用，重量轻、体积小、效率高、噪音低、便于控制，具有一定的推广应用价值。

四、如何确定创新选题

即大家如何确定参加比赛的作品，我们是不限定选题的，大家的作品可以是对现有产品的复现，如果能含着一定的创新意识，那当然更加好。但不管是复现还是创新，要求结构合理，功能可以实现，也就是要有合理性、实用性和可实现性。

象前面的自动割草机做得运用很复杂，其实在现实生活中没有必要，比如，倒草系统，完全可以只用一个机械手，抓着收草箱直接翻转倒掉即可，做得很复杂，是考虑到当时比赛要求要尽可能多的应用慧鱼产品，并且，该割草机前面大，而后面空，为了空间上有个呼应，整体结构好看，所以设置了电磁铁，顶升装置等等，但实际中不太可取。

同学们应该从现在就开始考虑，要做什么样的产品，要实现什么样的功能，用什么样的结构去实现，搭建过程中需要什么样的零部件，这样，真正开始设计制造的时候，可以直接提出零件清单，否则想到什么找什么，这是很难实现的。再有，同组的同学要分工合理，有人负责机械结构，有人负责控制，这样，可以节省一定的时间。重点难点问题可以大家齐心协力一起商量解决。

关于创新，不严格要求，但如果有，那会更好，而且也可以体现也大家的创新能力和创新意识。创新不是一定要做一个从无到有的东西，可以是将其他领域里的理论引用到机械领域，或者把其它产品的实现方式引用到另外的产品当中，有时候，仅仅是几个我们都耳熟能详的实现方式，但组合到一个产品上，就会有惊人的发现。比如，脚控电视，健身洗衣机，以及，日本人当年捞花瓶的实例，再比如，缝纫机的设计，19世纪40年代美国人哈威在研究缝纫机时，苦苦思考，勤奋钻研了很长时间，仍然没琢磨出个所以然。一天，哈威观察织布工手里的梭子，只见梭子在纬线中间灵活地穿来穿去，看着看着，他脑海中浮现出一个想法：如果针孔不是开在针柄上，而是开在针尖上，这样即使针不全部穿过布，不就也能使线穿过布了吗？当针穿过布时，在布的背而就会出现一个线环，假如再能用一个带引线的梭子穿过这个线环，这两根线不就能达到缝纫的目的了吗？正是织布梭子的启发使问题的解决一下子变得豁然开朗，两年后，第一台疑纫机问世。

我们把选题类型分成几大类：（1）仿生类机构。如仿四足步行、两足步行、爬行、爬杆、飞行、游水等动物的机构，以实现基本的运动为主要设计目标；（2）健身类器械。现有的健身器械有相当一部分巧妙地利用了连杆机构，发动学生对现有健身器械进行观察和分析，从而可以构思出其它的器械；（3）日用车辆。如自行车、童车等是大家非常熟悉的，让学生对它们的功能和优缺点进行分析并进一步改进或设计新式的产品；（4）日用器具。如炊具、清洁用具和家具等都是贴近日常生活的并且都有很大的创新空间，同时也与机械创新设计密切相关。