自由设计

自由设计（共12篇）

自由设计 篇1

【教学目标】

知识与技能:

1.理解物体下落过程中空气阻力对物体的影响。

2.理解自由落体运动的性质和物体做自由落体运动的条件。

3.理解自由落体运动的加速度, 知道它的大小和方向。

4.理解在不同地点, 重力加速度的大小有所不同;在同一地点, 重力加速度与物体的质量无关。

5.掌握自由落体运动的性质和规律。

过程与方法:

让学生通过对真空管等实验演示的观察、分析、思考, 学会归纳和总结问题的方法, 培养学生的观察能力, 推理能力, 掌握科学研究的方法。

情感、态度与价值观:

让学生通过对落体问题的研究, 体会对问题的研究要善于抓住事物的主要矛盾, 透过事物的现象看本质。

【教学重点】

1.通过实验探究自由落体运动的过程。

2.理解自由落体运动的性质、规律。

【教学难点】自由落体运动的加速度与质量无关。

【主要教学方法】演示、实验、讨论、总结

【复习】

匀变速直线运动的基本规律及公式

【引入新课】

物体下落的运动是一种常见的运动。如从手中释放的粉笔、屋檐上滴下的水滴等都是物体下落的运动。那么, 物体下落的运动有什么特点, 是一种什么性质的运动呢?

演示1:手持一物体, 在某一高度由静止释放物体。提醒学生注意观察, 并思考物体下落运动有什么特点。

物体初速度为零, 在重力作用下做加速直线运动。

不同的物体, 下落的快慢是否相同?

演示2:让一块橡皮和一张纸同时下落, 同样让学生猜想, 两件物体哪一个下落得快。

观察到橡皮下落得快。

把纸团成一团再次进行演示, 再让学生猜想两件物体哪一个下落得快。

观察到两个物体几乎同时落地。

为什么同是一张纸在下落过程中会有这样大的差别?

空气的阻力不同, 纸片受到的空气阻力比纸团受到的阻力要大, 所以下落过程有差别。

可见, 空气的阻力使物体下落的运动表现得很复杂。如果下落的物体不受空气的阻力, 那么不同重量的物体会是怎样的呢?

演示3:真空管落体实验

在空气中, 羽毛、金属片等物体下落快慢不一样, 但在真空中它们几乎下落得一样快。

在研究物体下落的运动时, 我们要抓住问题的主要矛盾, 透过现象看本质。研究物体的运动要先从简单、特殊的运动开始, 本节课我们就来研究物体在不受空气阻力时下落的运动——自由落体运动。

【新课教学】

一、自由落体运动

1. 定义:物体只在重力作用下从静止开始下落的运动, 叫做自由落体运动。

2. 条件: (1) 只受重力而不受其他任何力, 包括空气阻力。 (2) 从静止开始下落。

实际上如果空气阻力的作用同重力相比很小, 可以忽略不计, 物体的下落也可以看作是自由落体运动。

3. 性质:验证猜想:匀变速直线运动

怎样验证猜想?怎样研究自由落体运动的运动规律呢?

利用打点计时器测定物体做自由落体运动时各时刻的速度, 由它的速度随时间的变化规律来判断。

实验:研究自由落体运动的速度随时间的变化规律

学生操作, 教师指导完成实验。

将打点计时器竖直固定起来, 纸带一端系着重物, 另一端穿过计时器。用手捏住纸带, 启动计时器, 松手后重物自由下落, 计时器在纸带上留下一串点。

选取几个点迹清晰的纸带进行研究, 纸带记录了重物做自由落体运动的哪些信息?如何根据这条纸带分析出重物的运动规律?

纸带记录了重物下落的位移和所用的时间。可以选定一些点, 测出各点的瞬时速度, 利用“描点法”做出重物运动的图像。根据图像可以判断重物运动的情况。

让几位同学对纸带进行分析测量处理, 并把纸带上的测量结果填到设计好的表格中。

纸带的处理方法:先确定运动的起始点O, 再从适当的位置开始取间隔相等的点A、B、C、D、E、F等点, 以某一点为中心分别向前和向后移相同计数点取位移, 用这段位移上的平均速度代替该点的瞬时速度。

把学生测量的结果输入到计算机中, 利用计算机算出A、B、C、D、E、F各点的速度, 再利用多媒体做出物体做自由落体运动时的速度-时间图像。

引导学生分析比较做出的图像, 总结自由落体运动的规律, 并依据图像计算出重物下落的加速度, 得出结论:

(1) 自由落体运动是初速度为零的匀加速度直线运动。

(2) 利用图像可以求出加速度大小。

二、自由落体的加速度

比较不同质量物体做自由落体运动测得的加速度, 可以得出在误差范围内的加速度相等。

使用不同物体进行的多次实验表明, 在同一地点, 一切物体自由下落的加速度都相同, 这个加速度叫做自由落体加速度, 也叫重力加速度, 通常用g表示。重力加速度的方向竖直向下, 它的大小可以通过多种方法用实验测定。

精确测量可得到较准确的重力加速度。看课本第43页表:不同地方的重力加速度的数值。

你从表中发现了什么规律吗?你能尝试解释这个规律吗?

重力加速度随着纬度的增大而增大, 赤道上最小, 北极处最大。这是由于同样质量的物体在地球上不同处所受的重力不同而引起的。

地球上不同地方的重力加速度是不同的, 在计算物理问题时, 一般计算中取g=9.8m/s2, 在粗略的计算中, 可取g=10m/s2。在本书中, 如果没有特别说明, 都按g=9.8m/s2进行计算。

三、自由落体运动的规律

自由落体运动是初速度为零的匀加速度直线运动, 它的运动规律是:

初速度为零的匀变速直线运动的有关推论对自由落体运动也同样适用。

【课堂小结】

本节课我们通过实验探究证明了自由落体运动是初速度为零的匀变速直线运动, 要求不但要理解和掌握自由落体运动的规律, 还要学会利用打点计时器研究自由落体运动规律的科学方法, 特别是利用纸带数据绘制v-t图像并求解加速度。

【作业设计】

1. 课堂作业:完成课本做一做——“看看你反应的快慢”

2. 书面作业:课本“问题与练习”第2、4题

【板书设计】

一、自由落体运动

物体只在重力作用下从静止开始下落的运动, 叫做自由落体运动。

自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动。

二、自由落体运动的加速度

在同一地点, 一切物体自由下落的加速度都相同, 这个加速度叫做自由落体加速度, 也叫重力加速度, 通常用g表示, 重力加速度的方向竖直向下。

地球上不同地方的重力加速度是不同的, 在计算物理问题时, 一般计算中取g=9.8m/s2, 在粗略的计算中, 可取g=10m/s2。

三、自由落体运动的规律

自由落体运动是初速度为零的匀加速度直线运动, 它的运动规律是:

初速度为零的匀变速直线运动的有关推论对自由落体运动也同样适用。

自由设计 篇2

（2014---2015学年第二学期）

郭素萍

一、谈话导入，激发情感

成长是我们生命的永恒的主题，生活中的人、事、景、物汇成了我们丰富的生活轨迹，带给了我们快乐、醉人、难忘、忧伤等不同的生活体验，这些体验令我们的童年散发着迷人的气息，今天让我们将自己最感兴趣的东西流于笔端，共同分享吧！

二、阅读提示，明确要求

学生读书，明确习作要求：内容具体、语句通顺、感情真实。

三、拓展思路

１．读了作文提示，相信你的头脑中一定会浮现出生活中的一幕幕情景，请选择自己印象特别深刻的和同桌交流交流吧。

2．同学交流，根据学生发言，教师相机归纳:习作内容

叙事的→……写景的→……状物的→ 写人的→……想象的→……其他的→……

3．师：我们不论写什么类型的作文，都应该按一定的顺序写。想一想，我们以前写的文章，写作顺序有哪些？

4．学生自由发言，老师相机归纳：表达顺序 按事情发展的顺序写

(起因→经过→结果)按时间变化的顺序写（一会儿顺序，一天顺序，一年顺序，……）

按地点变化的顺序写

(开头→中间（地点1→地点2→地点3……）→结尾)按先总后分的顺序写

5．师：大家想一想，在平常的作文中，老师还有哪些要求呢？ 6．学生自由发言，老师相机板书：习作要求 写事：过程具体，融入感受

写人：事例典型，有真情实感

写景状物：抓住特点，融入真情

四、学生习作，教师巡视

教师巡视，对有困难的学生进行个别指导。

五、家庭作业 学生继续完成习作。板书设计

习作五自由作文（写最感兴趣的人、事、景、物、想象……）习作要求：内容具体、语句通顺、感情真实。写事：过程具体，融入感 写人：事例典型，有真情实感 写景状物：抓住特点，融入真情

第三课时（习作讲评）

一、谈话导入

1．同学们，学会写作文是一种能力，学会修改、评价自己或他人的作文也是一种能力，它将使你受益终身。这节课我们按内容进行交流评赏，共同分享你们心中那美好的回忆。

2．重温习作要求。

3．师：本次自由作文，没有规定写作的内容，也没有规定什么时间、地点，没有时、地限制，作文时作者可以自己构思。但是，不论写什么，新颖的文章才是好文章。选择什么样的素材才能写新颖呢？ 4．学生自由发言，老师相机归纳：写新颖

有生活情趣/ 独特的体验/ 素材新// 新方法/ 开头新/ 结尾新

二、互评互改，共同提高 １．学生自改。

请将你的习作朗读两至三遍，对照习作要求自己进行修改。2．小组互评。

⑴画出值得欣赏的地方，并说说好在哪里。⑵画出写得新颖地方。

⑶总结小组同学的意见，一人执笔，写出评语。

3．全班评议。

组内选出有代表性的作品，进行宣读，全班同学进行评议：肯定成功之处，指出不足之处。尊重富有个性和创意的表达以及评价。

4．自评修改。

虚心听取、真情接纳他人提出的意见和建议，反复阅读，认真修改，直改到自己满意为止。

5．展示评改结果，增强成功体验。

三、誊抄作文

再次修改自己作文，誊抄作文。

四、汇编习作选，激发学生的成就感。

1．经过同学们的合作交流，取长补短，同学们的习作增色不少，出现了不少佳作。同学们可以选择自己最满意的作文，编一个属于自己的习作选。2．汇编成册： ⑴将自己满意的习作整理起来，按一定的顺序排列（分类或按时间）。⑵写“编者的话”，并按次序编写目录。⑶装订成册，拟订书名，加入个性化设计。⑷制作漂亮的封面，给一些文章配上图画。

五、教师总结

同学们，通过交流评赏，不仅知道了自己习作中的优缺点，而且达到了互相学习，共同促进的目的。当然同学们编的习作选也是一道亮丽的风景线，它记录了多姿多彩的童年生活，它将成为我们成长中永久的记录，期待着同学们习作选的诞生。板书设计

自由作文（习作讲评）

在解构中寻找设计自由 篇3

发布现场，大连工业大学服装学院2015届毕业生优秀作品发布会以一场“穿行”之旅来献上敬意。所谓“穿行”，寓意“穿者有度，行者无疆”，即本场发布会的主题，传达了年轻设计师们在潮流与经典、过去和未来的无限空间中，努力探寻设计的宽度与自由，不甘寻常永不言败的精神。

整个毕业设计过程，通过本院专业教师、国内外服装专家、十佳设计师以及企业设计总监等专业人士组成评审组，进行多次作品评审，遴选出来的60余套参演作品解构融合了涂鸦、街头、民族、民俗、未来等设计风格，展现了大连工业大学服装学院服装与服饰设计、服装设计与工程、表演、摄影四大专业的综合实力。

众所周知，于1995年推出的中国时装设计新人奖，是中国服装设计师协会设立的面向全国高校时装设计优秀毕业生的专业评选活动。“新人奖”不仅成为时装设计专业大学生就业及自主创业的助推器，更成为促进时装设计专业教育进步，检验高校时装专业教学水平的标杆，甚至影响着时装专业教育和教学改革的发展方向。

大连工业大学服装专业应届本科毕业生李想和武亚琼同学入围本届新人奖评选，李想凭借作品“悖论”以及现场立裁表现等综合成绩，在决赛中获得总排名第二的佳绩，成功获得“新人奖”，作为前三甲设计师将赴欧洲世家皮草设计中心进行为期一周的专业学习。其指导教师服装学院侯玲玲副教授获得“优秀指导教师奖”。

自由设计 篇4

设计“自由之城”:设计型学习案例

设计型学习 (D e s i g n-B a s e d L e a r n i n g, 即D B L) 被定义为“让学生创造能够反映主题、概念和标准的有形物体。有了这些物体, 学生在一个互动的环境中学习基础学科, 以促进信息的回忆和再利用”。设计的思想贯穿于整个学习过程, 又将学习得到的结论反馈于设计, 检验设计的合理性与有效性。在解决问题的过程中, 设计随着学习的开展而不断深化。同时, 信息技术在设计过程中既是探究工具、交流工具、建模工具、知识建构工具, 也是学习评价工具。

设计“自由之城”是一个为期一年的项目, 在美国特雷西小学的五年级实施, 最终的成品是在教室中建立一个微型城市。在项目实施过程中, 学生需要充分利用实物材料和信息技术技能完成设计任务, 从而学会课程知识。本项目的设计者S a m-A n a F e n w i c k, 是特雷西小学的任课老师。在执教的1 3年中, 她发现学生只有积极参与到学习中时才能学得更好, 她希望学生能够学习、应用并修改所得到的信息。设计型学习正好为她提供了实现梦想的手段。

本项目用到的设计型学习的方法是“逆向思维”学习过程模型。与传统的“顺向思维”教学过程始于基本事实不同, “逆向思维”学习的过程始于最高级别的推理。学生开始在计算机系统中设计和制作从未见过的学习对象, 而这些对象正是他们将要从课本中学习的知识。学生解释学习对象的功能和属性, 然后通过传统的课程学习基本的课题。下面的案例是该项目的一个子项目“前所未见的自我介绍”, 其实施步骤如下。

根据课程目标提出主题。教师根据整个学期或学年的课程目标, 设计一个主题, 即通过建模软件创建一个“前所未见”的城镇。

根据课文提出问题。在计算机构建的城镇模型中, 学生作为城镇中的居民, 必须相互了解。教师提出的挑战任务是, 学生要用“前所未见”的方式介绍他们自己——把自己比喻成城镇中的一个物体, 以学会运用比喻和拟人的修辞手法。教师以自己为例首先进行了自我介绍。她把自己比做一把钥匙, 因为教师就像钥匙一样, 要为自己的学生开启各种各样的知识大门。

根据课程目标制定评估准则。教师根据课程目标制定了如下表所示的评估准则。

让学生自己制作三维模型。在“前所未见的自我介绍”这个挑战任务中, 学生先在纸上给自己的模型画上皮肤, 并把它剪成一个简单的模型, 套在身上代表自己。如有一位学生制作了一副很大的眼镜, 戴在身上代表自己。因为他觉得当他遇到不懂的知识时, 自己就要像眼镜一样看得更清楚, 并且获得更多的知识。大部分学生都非常活跃, 积极主动地帮助那些没弄清楚状况的学生, 并且给出自己的建议。S a l v a d o r曾经是一个在上课时经常无精打采地坐在教室后排的学生, 现在他也能积极地参与到课堂中, 并且热情地帮助那些还没有找到自己队伍的学生。S a l v a d o r建议音乐书应该和铅笔、图画在一组, 因为它们都能为人们创造出美妙的东西。学生在合作和相互帮助的过程中消除了隔阂, 增进了彼此间的了解。

教授指导性课程。这一步本来是我们传统“顺向”教学中的第一步, 而在设计型学习中, 这一步起的主要作用是修正和巩固课程知识, 因为大部分知识学生已经在一系列有意义的活动中习得了。在本步骤中, 学生学习课文中各种修辞手法的表达方式和口语对话, 纠正前面活动中出现的表达错误。教师选择虚拟城镇中的不同学习情境, 要求学生完成表达和人物对话。

写作。通过教师的指导和反馈, 学生运用学会的修辞手法进行写作, 并进一步修改自己的模型, 使其更形象地代表自己。

本项目共有1 2个子项目, 每个子项目持续一个月。学生在完成该项目的过程中, 就像在故事中漫游, 而他们是整个故事的主角, 积极地通过自己的方式建构知识、解决遇到的问题。教师只为整个故事的旅程拉开序幕。

设计型学习:正在兴起的学习范式

技术如何提升和促进教学革新是一个全球性的问题, 简单地将技术定位为再现和呈现工具有损于技术的认知功能, 与一定的活动结合, 共同提高学习者的思维能力和认知能力是一种可行的途径。

设计型学习是适应时代发展的一种新兴学习方式。它为学生在复杂环境中的学习提供了更有效的方法, 锻炼了学生设计的思维和能力, 培养了他们的创新能力和合作能力, 通过利用实物操作和信息技术设计与创作, 使学生体验到认知概念的建构过程。作为一种新的学习方式, 设计型学习虽然在西方一些国家已经开始实施并取得了一定的成果, 但国内对其的研究还是空白。这也可以作为我们创新教育的一个突破口, 通过积极的实践和探索, 使设计型学习模式越来越成熟和完善。

参考文献

[1]高文.试论教学设计研究的定位——教学设计研究的昨天、今天与明天 (之二) [J].中国电化教育, 2005 (2) .

[2]Yaron Doppelt, Matthew M.Mehalik, Christian D.Schunn, Eli Silk, and Denis.Krysinski.Engagement and Achievements:A Case Study of Design-Based Learning in a Science Context[J].Journal of Technology Education, spring2008.

[3]Resnick, M.Distributed Constructionism[J].Pro-ceedings of the International.Conference on the Learning Sciences Association for the Ad-vancement of Computing.In Education, 1996.

[4]Wijne, W.H.F.W., Towards Design-Based Learning[EB/OL].http://w3.tue.nl/fileadmin/stu/stu_oo/doc/OGO_brochure_1_EN.pdf.

[5]Design Based Learning[EB/OL].http://www.lrdc.pitt.edu/schunn/research/design.html.

[6]Design-Based Learning MA Degree[EB/OL].http://www.ceis.csupomona.edu/departments/dbl/.

自由落体教学设计 篇5

【教学目标】

一、知识目标

1．知道什么是自由落体运动。

2．知道什么是重力加速度，知道重力加速度的方向和通常的取值。

3．会应用相应的运动学公式解答有关自由落体运动的问题。

二、能力目标

调动学生积极参与讨论的兴趣，培养逻辑思维能力及表述。

三、德育目标

利用课后的阅读材料，介绍伽利略上百次的对落体运动本质规律的探索研究，使学生体会到科学探索的艰辛，挖掘素材。

【教材分析】

教材把自由落体运动作为初速度为零、加速度为的匀加速直线运动的特例来处理，没有另外给出自由落体运动的公式，这体现了物理学从简单问题入手，用理想化的方法处理实际问题的方法。研究自由落体运动时，给出了频闪照相机的照片，但没有作定量的详细分析，只要求从图上看出物体越落越快，物体作加速运动即可。教材为了简便，援引伽利略的研究结果，直接给出了自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动，重力加速度的讲述，也比较适合学生的思维习惯，根据实验在同一地点，从同一高度同时自由下落的物体，同时到达地面的事实。由键是做好实验和推理分析。

【教法建议】

知它们的加速度必相同，所以本节课的重点和关

可以按照教材安排的顺序，在讲解的同时，通过实验，边讲边议，如果学生条件许可，可采取讨论式的教法。

【教学重点】

认识自由落体运动是初速度为零、加速度为g的匀变速直线运动，并能应用匀变速直线运动的规律解决自由落体运动的问题。

【实验器材】

牛顿管、橡皮块、两张相同的纸。

【教学难点】

自由落体运动中不同物体下落的加速度都为g。

【教学过程】

一、自由落体运动

1．思考与讨论：

（1）重的物体下落得快？还是轻的物体下落得快？

（2）请举出一重的物体下落快的实例？（演示一张纸和一块橡皮下落的现象）

师：是否一定是重的物体下落的快？在17世纪时著名物理学家伽利略就用一种巧妙的推理方法来进行推理：①假设一块大石头的下落比一块小石头下落快。②两块石头的总重量最大，它们整体下落的速度与大石头、小石头下落的速度相比应如何？（答：整体下落速度最快）。③如把两块石头拴在一起时，下落快的会被下落慢的拖着而减慢；下落慢的会被下落快的拖着而加快，结果如何？（答：两块石头的整体下落的速度应小于大石头的速度，而大于小石头的速度。）④这与重的物体先落地的结论矛盾。

请一个学生来做个实验：半张纸揉成的纸团和一大张纸片同时从同一高度下落情况，请同学观察。（纸团比纸片下落快，轻的物体还下落的快。）

（设计说明：上述方法也是我们研究问题的方法，利用粗象的逻辑推理或做实验验证。）

师：这样看来，重的物体有时下快，有时轻的物体下落的快。请同学们比较一下上面的几个实验并讨论是什么原因导致这样的结果。

2．分析引导：

（1）教师指出：上述实验现象表明物体下落快慢与轻重无关，是因为有空气阻力存在使现象变得复杂。在17世纪，伽利略曾做过著名的比萨斜塔实验，实验发现：质量不同的铁球和木球几乎同时落地。

（2）提问：如果没有空气阻力，只在重力作用下轻重不同的物体下落快慢如何？

（3）演示：按教材要求做“牛顿管”实验。

3．总结归纳：

（1）牛顿管实验结论：质量不同的羽毛硬币等物体在没有空气阻力的情况下，下落的快慢是相同的。并比较一下牛顿管放入空气后的实验现象，引出自由落体运动的定义。

师：自由落体运动是一种什么运动呢？我们会猜想它会不会就是初速为零的匀变速直线运动呢？这样需要来证明才能确定。

（2）指导学生看“自由落体运动的频闪效果”的插图。

提问：要证明是匀变速直线运动的方法？（方法一：利用连续相邻相等的时间内的位移差为定值进行推导。方法二：证明连续相邻相等的时间内位移之比是连续的奇数比。）

（设计说明：这种方法先猜想后用实验验证的方法也是科学家研究问题的一种方法。）

（3）分析频闪照片，分析出自由落体运动是加速运动，进而指出，自由落体运动是初速度为零的匀加速直线运动。

（4）结论：自由落体运动的性质：初速度为零的匀加速直线运动。

二、自由落体加速度

1．分析引导：在同一地点，从同一高度同时下落的物体，下落到同一位置时（这个位置是任意的）所用时间总是相同的。可知：这些初速度为零的匀加速运动，在相同时间里发生了相等的位移，由知，它们的加速度必相同。

2．让学生看书，记住重力加速度的方向，了解一些地区的重力加速度的数值。并让学生比较与前面学到的g的数值大小，并强调这个重力加速度就是前面我们学到的常数g。

3．让学生根据匀变速运动的公式，推导出自由落体运动的公式：，若学生基础较好，可根据自由落体频闪照片，用分析纸带的方法由粗算一下自由落体加速度。

三、例题

例 《北京晚报》报道：一小孩从15m高的楼层掉下，被下面的一位叔叔伸开双臂接住化险为夷，幸免于难，试求：

(1)该小孩在空中下落的时间为多少？

(2)该叔叔接住小孩时，小孩的速度为多少？

四、课后探究

测自己的反应时间：（请学生说明这样测量的理由。并要求学生课后测量一下自己的反应时间。现场可测几个同学的反应时间。）

（设计说明：让学生自己参与，既活跃了课堂气氛，又让学生加深了印象，可以让学生在玩的过程中学到了知识，这样会收到很好的效果。）

五、课后思考题

1．想测出一幢楼的高度，你用所学过的知识设计测量方案。(请学生来思考作答)

2．一个物体从塔顶自由下落，在到达地面前最后1秒内的位移是整个位移的9/25，求塔高。（指导学生，让学生自己解答）

六、板书设计

（一）自由落体运动

1．定义：物体只在重力作用下从静止开始下落的运动。

2．条件。

(1)只受重力作用。

(2)从静止开始下落。

3．性质：初速度为零的匀加速直线运动。

（二）自由落体加速度

1．方向：竖直向下。

2．大小：通常取g=9．8m/s，有时g=10m/s。

相关因素：（1）随纬度的增加而增大。

（2）随高度的增加而减少。

（三）例题

七、教学反思

自由设计 篇6

一、雅斯贝尔斯“学习自由”思想

卡尔·雅斯贝尔斯是20世纪德国第一位存在主义哲学家,也是杰出的心理学家、高等教育家。他生于德国,后入籍瑞士,曾任海德堡大学、巴塞尔大学等学校的教授。《什么是教育》是雅斯贝尔斯关于教育论述的一部传世之作,对德国乃至世界教育都产生了极其深远的影响。其主题思想是“学习自由”思想,该思想从教育本质、哲学基础、师生关系和大学理念等方面作了较深入的阐述。这一思想在很多方面都具有重要的启发作用。例如,对教师如何激发学习动机、促进学生主体性的实现;研究学生学习方法,突出学生自学能力和创新能力的培养;改革考试制度,实现多元评价策略等等。“学习自由”思想对我国高等职业教育,特别是当前进行的工学结合课程改革,具有特别重要的意义。

什么是教育?雅斯贝尔斯在《什么是教育》中指出:“教育是人的灵魂的教育。”教育即生成,教育的使命在于成为“全人”。成为“全人”,不仅需要进行文化教育,还需要强调师生间的平等尊重,倡导苏格拉底式的教育方式。雅斯贝尔斯指出,教师是学生自我教育的引导者,教师一方面需要尊重学生,另一方面也需要得到社会的尊重。在课程教学中,要使学生成为该门课程的“全人”,不仅要使学生掌握该门课程的知识,更要使学生掌握该门课程的技能,以及通过该门课程进行相关能力获取的本领。

“学习自由”是指学生根据自己对生活世界的认识与理解,根据自己的好恶、特长、客观条件等情况,恰当地选择专业、选择课程、选择教师、选择教学方式,从而使自己在原有基础上得到充分发展的一种理想状态。教育家雅斯贝尔斯认为:“大学生在学校的自由气氛中,通过个人的自我教育可以获得内在的自由,这是大学教育的优越之处。假如实行的是一种像军校或某些修道院式的教育,以极严格的纪律来约束学生,那么这点优越之处就荡然无存了”。在教学中,教师要注重以学生为主体,充分调动学生的积极性,真正做到自主探索、合作交流、实践创新,做学习的主人,激发学习兴趣。把知识机械地传授给学生,不如教给学生学习方法,教会学生自己学习,培养学生的自学能力,让学生自己积极主动地去观察、实验、分析,自己探索知识,发现知识,掌握知识,形成一定的专业技能。

二、工学结合课程改革

工学结合是一种以提高学生的职业素养、专业技能为目标的人才培养模式,是将现代教育制度与劳动制度有机结合的一种新型的学习制度,是将学生的课堂学习与实际工作结合在一起培养学生的综合能力、提高学生就业的核心竞争力、更好地促进学生职业发展的人才培养机制。

工学结合教育模式由来已久,最早可以追溯到英国桑得兰德技术学院(Sundert and Technical College)工程系和土木建筑系于1903年开始实施的“三明治”教育模式(Sandwich Education)。英国出现三明治教育模式以后的第3年,也就是1906年,美国俄亥俄州辛辛那提大学(University of Cincinnati)开始实施与英国基本相同的工学结合教育模式,并称之为“合作教育”(Cooperative Education)。1983年,世界合作教育协会(World Association for Cooperative Education)在美国成立,总部设在美国马萨诸塞州波土顿的东北大学(Northeastern University),协会成员来自40多个国家,每年召开一次国际性会议,影响越来越大。目前,发达国家工学结合教育模式发展的重点是跨国安排学生的工作实践,以达到教育国际化的目的。2000年,协会理事会经讨论决定,将合作教育改为“与工作相结合的学习”(Work—integrated Learning),以进一步从名称上凸显工学结合的基本特征,便于理解。

工学结合是一种将学习与工作相结合的教育模式,形式多种多样,有一年分为三学期,工作与学习交替进行的;也有一个星期几天学习几天工作的;也有半天学习半天工作的。笔者学校的工学结合是在一个学期中,安排四至五周的时间进行生产性实训,以达到工学结合的目的。

“工”是手段,“学”是最终的目的,“工”是为了更好地“学”。课堂教育是一个基础,通过职业岗位上的磨练,不仅让学生形成职业操守,更重要的是可使理论知识深化并转而形成动手操作的能力。所以,工学结合里的“工”,必须有针对“学”的内容,让顶岗实习等工作范畴尽可能地符合学生所学的专业领域。否则,工学结合就要偏离培育合格职业人才的正确方向。在《游戏架构设计与策划基础》课程教学改革中,工学结合是随着课程学习的进行,穿插在课程中进行的。

三、游戏架构设计与策划基础课程的设计与实现

1.课程改革的整体思路

课程的总体能力目标是让学生充分了解游戏策划在团队中工作的具体内容及游戏设计理念,同时培养学生积累和合理运用创意的能力、培养学生充分了解并设计各种类型游戏中不同游戏系统的能力,让学生能够在团队配置中完成游戏策划文档。

学生分成项目组,课程教学内容在教师的统一指导下,实现学习自由,课程教学过程在教学计划的控制下实现工学结合。其教学中单项能力目标、知识目标见表1、表2。

2.课程教学内容实现学习自由

该门课程需要思想创新,思维活跃。但是,目前的课堂教学管理方法有些僵化,不管学生是否喜欢、是否愿意,一律要求学生在规定的时间内到达规定的地点上课,并实行严格的课堂出勤管理制度。大学生的生理、心理都比中小学生成熟,该门课程的学习应当追求学习方式和学习形式的多样化,而不应仅仅局限于课堂教学。

在教师统一指导下的学习自由,可以解决上述的一些不足情况。该门课程的学习自由体现在以下几个方面:

(1)小组成员组合自由。学生被分成项目小组进行学习,小组成员的组合自由进行,可以根据性格、爱好、特点、策划内容的需要等进行自愿组合,便于策划案的完成。

(2)策划主题、情节的选定自由。小组成员确定后,经过小组自由讨论,共同查找资料,并根据自身的特点选定主题,确定游戏世界观。教师根据每个小组的策划内容进行个别具体指导。

(3)交流讨论自由。在策划主题确定后,首先全班要进行一次自由的交流与讨论,互相学习借鉴。然后,不定期地进行组内与组间的交流与讨论,相互启发。教师在学生的交流讨论中要进行一定的引导与建议,以利于教学目标的实现。

(4)学习的时间相对自由。为了便于进行学习自由的教学改革,将原来每次上课时间2学时的课程,改为每次上课程时间为4学时。课程的开始与结束时,要按学校的统一时间上课,中间的学习时间自由学习。

(5)学习的地点相对自由。课程的开始与结束时,要按学校的统一地点来上课,中间的学习地点可以是教室、图书馆、电子阅览室等校内地点,自由选择。

3.课程教学过程实现工学结合

按照工学结合的通常形式,进行工学结合要有企业的配合,还需要有大段的时间等,目前实现起来比较困难。笔者认为,可以将工学结合中“工”的要素引入课程教学中,在教学过程中实现工学结合。

该门课程中的“工”的要素,体现在以下几个方面:

(1)在课程中加入调研环节。在确定了项目小组成员之后,可以安排一至两次的市场调研。调研的地点可以是企业,或是市场;可以是走访的形式,也可以是问卷调查或网上调查。目的是让学生了解市场,把握策划案的定位。

(2)到游戏开发企业学习策划的技巧。在学习策划案的过程中,在具体策划游戏的人物系统、场景系统、数值平衡等系统时,可以集中组织学生到游戏开发企业,与游戏开发企业的策划师交流,学习系统设计中的技巧与技能。

(3)组织相关参观,学习创意,融入到策划案中。在课程教学过程中,有一些展览或会议是与课程相关的,可以组织学生进行参观学习,增加对企业与行业的了解。

(4)利用课余时间到有关企业去兼职。在课程学习过程中,有条件的学生可以利用周末或课余时间,到有关企业去兼职,了解行业动态,学习企业文化。

经过上述的课程改革,该门课程的教学取得了一定的成果。课程结束时,有些小组的游戏策划案已接近毕业设计的水平。在学习自由与工学结合过程中,要求大学生具有较强的自主学习能力、自我约束能力和相应的心理素质。对于缺乏进取心、缺少约束力、不专心学习的学生来说,这样的改革可能会适得其反,达不到预期的教学效果。所以,要强调教师的管理与指导、引导作用,使所有学生都能取得进步。

多自由度绘图黑板的设计 篇7

黑板在传统意义上讲它是一个可以反复书写的平面, 板面坚硬, 主要用于教学。黑板从最早的用黑色涂料涂抹在木板、水泥等坚硬物体表面, 到九十年代的水磨玻璃, 现在的彩涂钢板, 复合材料板....见证了世界教育事业的一步步发展, 为人类传播知识, 普及教育, 立下了汗马功劳。

目前教学课堂所使用的黑板不能解决光照反射问题, 同时没有自带绘图工具, 不方便在黑板上绘图。空间可变换角度的多自由度绘图黑板涵盖市场上现有黑板的多种功能。不仅可以防止光照反射, 还自带绘图工具等。对提高教学质量具有重大意义, 对黑板类教具是一种大胆的创新。

空间可变换角度的多自由度绘图黑板方案的提出来自教学课堂, 所以通过教学课堂所学课程知识对其加以设计。通过机械原理、机械设计、机械制图等课程, 了解到通过铰链连接的多自由度原理, 来实现角度调节;通过滑块机构, 来实现平行、垂直移动。空间可变换角度的多自由度绘图黑板对现代教学课堂是一种革新。可以通过调节黑板的相对角度, 进而改变黑板的视觉效果, 使坐在教室旁侧的学生也能够看清楚黑板上的教学内容。通过增加两个滑块机构实现水平、垂直图形绘制, 可绘制黑板平面内任意直线。通过一中心定位销, 可实现旋转, 进而实现圆的绘制。当非绘图教学时, 可将各绘图工具移至黑板一侧。

1 多自由度绘图黑板的结构

空间可变换角度的多自由度绘图黑板, 主要由①黑板、②滑杆、③铰链连杆机构、④直尺、⑤带槽尺、⑥抱闸组成。结构如图1所示。

2 多自由度绘图黑板的工作原理

2.1 铰链连杆机构部分

空间可变换角度的多自由度绘图黑板的主要设计思想源于机械臂的设计原理。如图2所示, 采用四个铰链连杆机构来连接黑板和支架, 使得黑板可以相对于支架移动且使黑板和支架之间呈一定角度, 这样就解决光照反射的问题。

2.2 制动装置

为了控制黑板的位置, 需要加入制动装置, 通过制动四个铰链连杆机构中的一个就可以控制黑板的移动位置。采用电子抱闸的断电锁住, 通电松开的原理来控制部分连杆的制动, 连接方法如图3所示。

2.3 黑板绘图部分

在黑板上下两边缘固定安装两个导轨, 两个导轨里配装相对应的滑轮, 再用一根光杆作为滑杆连接在两个滑轮上。用一个滑块套装在光杆上, 滑块的另一端通过销钉与直尺1相连接, 直尺1另一端通过蝶形螺母与连接尺2相连接。这样的安装结构使得滑轮在导轨中自由滑动并且带动滑杆左右移动, 从而使滑块和直尺1、尺2也可以左右移动。直尺1绕着滑块转动使其黑板上画出不同角度的直线, 尺2可以绕着直尺1转动可在黑板上画圆。尺2上开有较长的粉笔槽, 可以实现不同半径的圆的绘制, 其结构如图4所示。

3 作品的创新点

(1) 作品运用铰链连杆低副机构连接黑板和支架, 实现黑板的空间移动和旋转。

(2) 作品通过导轨滑块机构带动绘图工具在黑板上移动, 使之实现利用黑板自带的绘图工具在黑板任意位置作图。

(3) 作品运用低功耗而又高效廉价的电磁抱闸来当作制动机制。

4 结束语

空间可变换角度的多自由度绘图黑板不仅解决了学生观看黑板的视觉难度, 而且提高了老师授课的教学强度;同时也为解决老师绘图教学, 携带绘图工具的麻烦和利用工具手动绘图的不准确性等问题, 给老师绘图教学带来极大地方便。这款教具的设计制作实用、简单, 总体造价便宜, 值得推广应用。

参考文献

[1]濮良贵, 纪名刚.机械设计[M].北京:高等教育出版社, 2006

[2]孙桓, 陈作模, 葛文杰.机械原理[M].北京:高等教育出版社, 2006

[3]何铭新, 钱可强.机械制图[M].北京:高等教育出版社, 2003

论生活陶艺的设计自由度 篇8

一、制约设计的因素

生活陶艺是一个极大的矛盾结合体, 实用性与设计感是生活陶瓷的两大优势, 但与此同时, 生活陶艺的实用性也制约着设计的创新。

1. 对造型的制约

造型是体现一件物品定位的标准, 非规则性的造型通常给人以个性的感觉, 甚至打破常规, 实现造型的突破, 由此带来视觉冲击, 给大众带来审美的新鲜感。

但在兼并个性与实用的生活陶艺中, 造型与结构要紧密联系, 相互制约。结构是决定实用性的重要基础, 所以造型的变化也预示着使用功能的变化。在创作中, 在考虑到生活陶瓷的实用性, 而真正实现造型上的突破是很困难的。每一件不能真正投入到日常使用中的生活陶瓷也并不能称之为真正的生活陶艺, 也只能是称之为观赏性瓷器, 失去了一定的存在意义。

其实, 实用性的所体现出来的不仅仅是使用, 有时还要体现着一些更深层意义的精神思想, 也将“用”提升了一个档次, 让大众使用起来不觉不便。在快节奏的今天, 极少会有人为了一件奇特的物件而思考它是否具有对自己有用的实用性。实用性的缺失, 也是使得生活陶艺渐渐远离我们生活的重要原因。所以生活陶艺的实用性制约着造型设计。

2. 对装饰的制约

对陶瓷表面的纹理进行特殊处理叫做肌理处理。肌理形成有着不确定性的特点, 因其呈现的不同形态, 给人以至真至诚的视觉享受, 也使得陶瓷作品更具有亲和力与感染力。作为生活陶瓷, 为凸显其个性, 多会使用特殊的肌理纹来进行装饰, 从而得到大众亲睐, 但是, 也正因为更加追求艺术效果而是用不顾则规范的肌理, 则又与生活陶艺的实用性所冲突。

因为存在制约, 是的肌理在生活陶瓷中不能更充分的使用。有些夸张的肌理纹对生活陶瓷的使用带来困难。比如, 再不该有肌理纹的部位出现肌理纹;在器皿上使用过多肌理纹;吉利的粗糙程度不能适应日常生活的使用。

二、设计的自由度

1. 创造新思维

生活陶艺是从传统陶艺逐渐发展而来的, 演变成具有现代特色的一门陶文化。对于一门文化艺术而言, 创新性的思维是必不可少的, 创新的思维不仅仅是生活陶艺外貌的创新, 而是要有在不舍弃实用性的同时, 使得生活陶艺有它不断成长的市场。在生活陶艺中抒发陶艺工作者的智慧与情感, 积极地不仅为大众生活中有着重要影响, 还要丰富大众精神需求。

生活陶艺作为一门现代艺术, 制陶时除了保留应有的实用性也应该反映了这个时代的特色, 使其能够成为这个时代的标志。

2. 开辟新功能

一件物品是否具有使用功能是由人在尝试过后给予的判定。生活在变化, 人们对功能的要求也在变化。将功能作为造型创新的基础, 尝试创新, 发现新的陶艺创作世界。

从器皿“好”的定义来看, 可以分为功能好与造型好。功能好是指, 大众在使用器具的过程中不会应为感到不便;造型好是指, 因为不同的形式带来不同的观赏价值, 让大众觉得满足。要想在生活陶一中同时做到这两项, 可以尝试功能的创新或者造型的创新。在生活陶艺的造型设计中, 对功能进行新的开拓, 是促进结构和造型发展的核心。从生活陶艺的功能的入手, 生活陶艺造型设计的自由度也有所增加。新的功能带来新的造型, 新的造型带来新的感受, 这才是做两全其美的。

自然, 不是每一件既有审美价值的物品都可以用来使用, 因此, 不是每一次的结合都能得到好的反应。“好”的自由体现表现在物品本身流露出的情感与其制作技巧得到完美的结合, 摆脱更多的束缚, 并且将功能性表现出来, 这就会是一件最成功的生活陶艺。

3. 肌理的自由

不同的肌理体现出不同行的感觉, 带来的审美效果也不同。生活陶艺因其特殊的制作, 会留下一些不经意的印记。现在的陶艺制作者, 往往也进入了一个思想的怪圈, 抛弃原有的光滑表面的传统, 似乎越粗糙就越能表现出天然、质朴的感觉, 因此, 在制作时会刻意留下一些肌理, 这也使得器皿本身失去了一定的观赏价值。

其实, 无论光滑还是粗糙, 都是陶艺的表现手法, 它们也都是生活陶艺所要追求的。因此生活陶瓷不仅仅只依靠粗糙, 从肌理创新出发, 生活陶艺的设计也有很大的上升空间。

三、立足传统, 创新现在

生活陶艺作为传统发展到现在的产物, 应该更加能接受传统, 改善传统, 融入现在, 创新现在。

生活陶艺要立足社会, 长远发展, 并不是在于求得各个方面的新颖。也许标新立异的外表一开始是能够吸引大众目光, 但是久而久之, 当审美发生疲劳, 生活陶瓷又该如何发展?因此, 在进行设计时, 多少还是应该结合一些传统文化, 中国作为陶文化大国屹立了那么多年, 就说明历史的经验值得我们用来借鉴。结合历史, 融入现在, 这也才是生活陶瓷的长久发展的原动力。

结束语

历史的归属感, 文化的认同感, 艺术的传承, 生活陶艺其实有着能影响世界的感染力。但是由于其发发展发生了偏向, 导致生活陶艺的发展缓慢。真正意义上的生活陶瓷远比我们想象的要复杂, 这也需要我们的制陶工作者在自身领域不断摸索。艺术, 来自生活, 高于生活, 设计就更应该要融入生活, 而不仅仅是做一朵高傲屹立于悬崖的花, 它应该是自由盛放的。

参考文献

[1]徐艳丽.论生活陶艺的设计自由度[J].美与时代 (上) , 2012 (12) .

三自由度转台的设计与实现 篇9

三自由度飞机飞行姿态模拟实验台是集机械技术、控制技术和传感器检测技术、计算机技术于一体的综合性测试设备。它作为一种空间运动机构是飞机进行动态性能测试的关键设备, 主要用于模拟飞机的运动姿态, 为飞机提供一个非常接近实际的模拟环境, 在模拟条件下对飞机的飞行姿态进行实验研究和性能考察, 在国防和民用中都有很高的应用价值。

本文基于MSP430控制核心设计了一种三自由度模拟实验台, 并完成了给定的任务要求。

1 体统总体方案

该系统主要由MSP430控制核心、电源管理模块、电机控制模块以及无线通信模块组成, 其结构框图如图1所示。

转台的实时位置由旋转编码器反馈送入微处理器进行处理。步进电机采用PID算法进行调节, 而直流无刷电机采用模糊控制算法。软件设计中实时采集编码器的反馈信息, 实现整个系统的闭环控制。

2 系统硬件设计

系统的硬件主要包括:主控电路、电源管理电路、电机驱动器和无线通信电路几部分, 其系统结构如图2所示。

2.1 MSP430主控电路

系统的核心控制采用TI公司的MSP430系列单片机MSP430F149, 其主要特点是高度的功能集成, 易于扩展, 内部集成看门狗定时器、且自带捕获/比较寄存器的16位定时器Timer_A和Timer_B支持PWM输出功能以及具有超低功耗等特点, 片上集成60 KB的FLASH存储器和2 KB的RAM同时提供256 B的信息FLASH, 64脚方形扁平封装。此单片机还可以串行在线编程, 无需外部编程电压。系统I/O口具体分配如下:P1口用于接收旋转编码器的反馈信号;P2口为中断口;P4用于驱动直流无刷电机的PWM信号输出;P5口用于驱动步进电机的方波信号输出;P6用于电机驱动器的控制信号输出。

2.2 电源管理电路

整个系统包含3.3 V, 5 V, 12 V, 24 V四个电压环境。其中, 3.3 V给单片机系统供电, 5 V给旋转编码器供电, 12 V直接由交直流变压器引出给驱动电路供电, 24 V直接由交直流变压器引出给电机供电。5 V由12 V通过HDW20-12S05电源模块得到, 如图3所示。3.3 V由5 V通过AMS1117芯片得到, 电路如图4所示。

2.3 电机驱动器

步进电机驱动器采用2605AD驱动器。2605AD为一款等角度恒力距细分型驱动器, 驱动电压DC 24～60 V, 适配电流在5.0 A以下、外径为57～86 mm的各种型号的二相混合式步进电机。该驱动器内部采用类似伺服控制原理的电路, 此电路可以使电机低速运行平稳, 几乎没有震动和噪音, 电机在高速时力矩大, 定位精度最高可达25 600步/转。

直流无刷电机采用控制驱动器, 该驱动器为闭环速度型控制器, 采用IGBT和MOS功率器, 利用直流无刷电机的霍尔信号进行倍频后进行闭环速度控制, 控制环节没有PID速度调节器, 系统控制稳定可靠, 尤其是在低速下总能达到最大转矩, 速度控制范围为150 r/s～额定转速。

2.4 无线通信电路

通过串口驱动电路中的RS 232电平转换芯片, 可以实现单片机和PC机之间的通信, 建立人-机对话活动的通道。桑锐公司生产的SRWF-1型无线通信模块工作性能稳定, 体积小便于安装。利用MAX3232芯片, 能够完成TTL电平和RS 232电平之间的转换, 实现通信模块与PC机进行串口通信。其电路原理图如图5所示。

3 控制策略

3.1 步进电机控制策略

常规PID控制器具有算法简单、稳定性好、可靠性高的特点, 价值设计容易、适应面宽, 是过程控制中应用最广泛的一类基本控制器。但在过程的启动、结束或大幅度增减设定时, 短时间内系统输出有很大的偏差, 会造成PID运算的积分积累, 致使控制量超过执行机构可能允许的最大动作范围对应的极限控制量, 引起系统较大的超调, 甚至引起系统较大的振荡, 这在生产中是绝对不允许的。积分分离控制室当被控制量与设定值偏差较大时, 取消积分作用;当被控量接近给定值时, 引入积分控制, 以便消除静差, 提高控制精度。根据三自由度转台的实际情况, 在积分分离PID控制算法的基础上进行算法的改进, 结合增量式PID控制算法进行电机的控制, 实验得到了很好的控制效果。

3.2 直流无刷电机控制策略

模糊PID控制器的原理是把输入PID调节器的偏差e和偏差变化率ec同时输入到模糊控制器中。图中的F控制器实际上是由三个分模糊控制器组成的, 分别对三个参数进行调节, 然后分别经过模糊化、近似推理和清晰化后, 把得出的修正量分别输入PID调节器中, 对三个系数进行实时在线修正, 从而使被控对象具有良好的动态和静态性能。

4 结 论

本文以MSP430F149单片机为主控芯片, 步进电机和直流无刷电机为驱动元件, 通过软件编程, 制作了一台精度相对较高的三自由度转台。经过对转台的旋转控制, 证明转台能平稳、精确地按照任意给定的位置信息转动, 动态性能良好, 系统稳定性和抗干扰能力强。

三自由度转台不仅在航空、航天和航海等国防军事领域中有很高的应用价值, 而且在民用领域也有非常广泛的应用前景, 但是要达到人们要求的高精度、高智能化还有很长的路要走, 需要坚持不懈的探索和研究。

摘要：基于MSP430F149单片机设计了一种三自由度转台系统。在该系统中, 利用旋转编码器的信息反馈, 通过对电机的闭环控制, 使三自由度转台能够模拟飞机的飞行姿态。实验证明:系统能平稳、精确地按照任意给定的位置信息转动, 动态性能良好, 系统稳定性和抗干扰能力强。

关键词：三自由度转台,MSP430单片机,模糊控制,PID控制

参考文献

[1]谢兴红, 林凡强, 吴雄英.MSP430单片机基础与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2008.

[2]刘金琨.先进PID控制Matlab仿真[M].北京:电子工业出版社, 2004.

[3]石幸民, 郝整清.模糊控制及其Matlab仿真[M].北京:清华大学出版社, 2008.

[4]马强.三轴转台的先进PID控制[D].洛阳:河南科技大学, 2008.

[5]席爱民.模糊控制技术[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2008.

[6]刘进.无人移动平台控制系统的设计与实现[D].石家庄:军械工程学院, 2009.

[7]刘进.基于摄像头的智能小车设计与实现[J].传感器世界, 2008, 14 (2) :34-37.

[8]甄红涛.视觉导航智能车控制系统的设计与实现[D].石家庄:军械工程学院, 2010.

[9]刘全川.三自由度摇摆台设计与动力学分析[D].南京:南京理工大学, 2009.

自由设计 篇10

关键词：自由尺寸优化,维修孔,机翼,下壁板

0 引言

为满足翼盒装配通路要求和适航可达性[1]要求, 民用飞机机翼下壁板上布置有一系列维修口盖。维修口盖一般分为承力口盖和非承力口盖两种类型。承力口盖和机翼壁板直接紧固件连接, 参与整体传力, 重量较轻, 但拆卸困难, 且需在机翼下壁板上安装螺栓, 螺栓孔易产生裂纹。为提高维修性和疲劳寿命, 民用飞机机翼下壁板上的维修口盖一般选用非承力口盖。非承力口盖不参与机翼整体传力。如何在满足机翼整体传力的基础上合理分布下壁板维修孔区域的材料, 尽可能的减轻结构重量是下壁板工程师需要解决的重要问题。

拓扑优化设计能够在给定的设计空间里优化材料分布, 为设计人员提供优化的传力路径和良好的设计思路, 被广泛应用于概念设计。在二维结构优化设计中 (如机翼蒙皮优化设计) , 拓扑优化的单元厚度为离散变量, 只能在两个厚度之间选择[2] (一般为归一厚度1和0) 。单一的变量范围显然不能满足进一步的详细设计需求, 如无法得到材料连续分布的机翼壁板蒙皮优化方案。对于二维结构的优化, 自由尺寸优化设计恰好能弥补拓扑优化设计的不足。自由尺寸优化设计的变量能够在最小值和最大值之间连续变化, 既具有拓扑优化设计的功能, 又能优化出连续的材料分布 (结构参数) 。因此, 自由尺寸优化设计更加适用于壁板蒙皮的优化。

本文基于Hyperworks软件, 采用自由尺寸优化设计方法对某大型飞机机翼下壁板维修孔进行优化设计。为尽可能模拟合理的边界条件和载荷工况, 基于全机有限元模型, 建立了机翼下壁板维修孔区域的细节有限元模型。细节模型和全机模型之间用过渡网格连接。基于细节有限元模型定义自由尺寸优化设计模型, 对机翼下壁板维修孔区域进行优化设计。

1 有限元模型

为了仅可能模拟真实的边界条件, 本文先建立了翼身组合体 (包括外翼盒段、中央翼和中机身) 粗模型。外翼盒段有限元模型按自然网格划分:即按翼肋和长桁 (梁) 围成的自然网格划分有限元单元。蒙皮、梁腹板和肋腹板通过壳 (Shell) 单元模拟, 长桁、梁 (肋) 缘条通过梁 (Bar) 单元来模拟。考虑实际承载特点, 长桁单元的惯性矩设置为1, 忽略不计。整个粗模型包含5344个节点, 14986个单元。整体分析模型如图1所示。

选取机翼下壁板4个连续的典型维修孔区域建立细节有限元模型。其中维修孔加强凸台由于配合要求与实际厚度一致, 其余区域蒙皮初始厚度等厚。设计区域的细节有限元模型如图2所示。为尽可能模拟真实的边界条件和载荷工况, 细节模型从全机有限元模型中划出后重新划分网格得到。细节模型和全机模型之间通过过渡网格连接, 如图3所示。

经过筛选, 本文在优化过程中共考虑了32个典型工况。载荷通过分解直接加载于单元节点上。

2 优化设计模型

优化数学模型可以表达为:

式中:

X———设计变量;

f (X) ———是设计目标;

g (X) ———设计约束。

优化设计即在满足给定的约束条件下, 寻找合理的结构尺寸变量, 使得目标函数最小。本文基于Hyperworks软件进行优化设计, 其中利用Optistruct进行优化求解。优化设计定义如下 (表1) :

柔度代表结构的应变能, 可以理解为结构刚度的倒数。最小柔度常定义为拓扑优化设计或自由尺寸优化设计的设计目标。在优化设计中, 既可以定义整个结构的全局柔度也可以定义设计区域的局部柔度。由于下壁板维修孔区域的优化会影响翼盒的载荷传递, 同时设计区域的边界条件又来源于翼盒结构, 为保证整个机翼盒段结构效率最高, 优化目标定义为机翼整体柔度最小。

体积比是全局响应, 反映迭代过程中设计区域的体积变化, 常用于拓扑优化或自由尺寸优化设计约束。体积比定义如下:

体积比= (初始体积-当前迭代步体积) /初始体积。

为保证自由尺寸优化设计过程中蒙皮尺寸满足翼盒区最小厚度要求, 根据经验确定体积比约束大于0.3。

3 优化结果

设计目标迭代曲线如图4所示, 经过13步迭代收敛。优化结果如图5所示, 优化后维修孔区域的材料主要分布在开口的两侧, 形成连续的材料分布带, 而开口之间材料分布减少。实际结构中, 非承力口盖开口区域不传递载荷, 为提高结构效率, 载荷应尽可能从短的路线传递, 在维修孔两侧加强, 维修孔之间减弱能够使载荷尽快能的从维修孔两侧短路径传递。因此优化结果符合工程经验, 可以作为设计参考。不同于拓扑优化归一的尺寸结果, 自由尺寸优化设计能够提取每一个单元的结构尺寸, 为详细设计提供参考。结合应力分布 (图6所示为自由尺寸优化参数在最严重工况下的应力分布) , 将工作应力和许用应力进行对比分析, 即可进一步调整参数, 得到适用于详细设计的结构参数, 本文不再赘述。

4 结论

本文基于细节有限元模型定义了下壁板维修孔区域自由尺寸优化设计模型, 以机翼整体柔度最小为优化目标对设计区域进行优化, 得到了符合工程设计要求的优化结果。主要结论如下:

1) 为减轻结构重量, 应在维修孔两侧进行加强设计, 维修孔之间进行减弱设计, 以达到机翼整体刚度最大。

2) 自由尺寸优化方法不仅能够呈现优化的传力路径, 而且能够得到相应的结构尺寸, 适用于于飞机蒙皮类零件的初步和详细设计。

参考文献

[1]中国民用航空局.CCAR25-R4中国民用航空规章第25部运输类飞机适航标准[S].中国:中国民用航空局, 2011.

自由设计 篇11

关键词：审美自由；想象力；创新；表现形式；技能规范

在服装美术设计课中，我们所说的审美自由，应该是通过审美主体的想象唤醒人内心深处对自由的渴望。服装的美是一种自由，是解放，是舒适，是没有杂念的彻底放松和愉悦，它可使审美主体赏心悦目。

服装美术设计课正是以服装为载体来创造美、表现美的，美与时间、环境、审美主体密不可分，审美是自由的，更为重要的是，我们在服装设计中的想象力也应该是符合美的秩序的想象力。—个成功的设计师也正是由于把内容交付给了审美秩序而取得成功的。

在服装美术设计课中，我要求学生不受限制地想象，大胆提出自己独特的想法，展示自己对美的理解。构思与表现是服装美术设计课中的主要内容。服装设计的表现一般有三种形式：服装款式图、服装效果图、时装画，每一种表现形式都有不同的技能要求。一堂成功的服装美术设计课应该既能体现审美自由又能做到技能规范，因此我经常在学生团队完成设计任务的教学中通过两大步骤来实现教学目标。

一、超越审美经验。实现审美自由

审美需要自由，审美也创造了自由。但在具体的服装设计课中，同学们常常有这样的困惑：到底设计出怎样的服装才是成功的，当发散思维达到一定程度之后，我们又该如何筛选和综合，最终让零散的思维变得清晰起来，并找到一个恰当的切入点，通过具体的造型、款式、色彩、面料等形成具体的服装形象。在这样一个构思过程中，个人的认知、情感和审美经验发挥了巨大作用。

我把服装班的学生分成5个团队，每个团队在接到设计任务时常常要完成以下几个内容；首先，团队合作，集体收集信息，明确设计任务，具体包括明确穿着对象及穿着目的，为设计准确定位等内容。其次，组内同学接到具体任务后开始单独构思，多做联想和想象，构思的数量要越多越好，不求完整，可以让想法和想法之间存在较大差异，具有跳跃性，反对求全责备和一票否定，整个构思过程呈散射状，从而努力寻求思维创新的线索。服装设计是一门艺术，虽然需要理性但也需要创造的激情，更需要人的直觉和自由，而每个人的思维是因人而异、不可替代的，我们要给同学们足够的思维空间去创造美的服装形象。最后，集体讨论，在这个展示和讨论的过程中，我们可以注意到每个学生的审美和品味与他的个性品质、人格倾向和知识经验等都密不可分。

在这个阶段，最大的难点就在于如何突破已有的服装形象，不受传统审美经验的束缚，创造出令人愉悦的服装形象。在学生构思之前，我往往会让他们听几段优美的音乐，或欣赏几幅有特色的图片，引导他们利用局外信息，从其他的领域或离得较远的事物中得到新的想法，可以说，生活中任何美好的事物，都可以给我们带来美好的想象和启示，当然也都可以转化为服装的设计语言，服装设计并非一定要从他人成功的服装作品中得到灵感。在这个过程中，我往往会让他们先完成设计构思，然后再欣赏他人的服装作品。而在评讲时，我会让他们比较自己的作品和别人的作品，分析并讨论，以提高他们的审美能力，为下一次作业更好地发挥奠定基础。

二、表现手法的选择与规范

在构思的初级阶段，同学们可以不受限制地自由想象，但随着构思的深入，由发散思维过渡到集中思维，最终形成清晰的、具体的服装形象后，同学们还必须通过一定的形式把这个形象表现出来，比如说服装效果图，这里就涉及一个技能规范的问题。首先，服装人体不同于真实的人体，它是真实人体经过夸张和装饰美化后的人体，一般写实的服装人体比例在8.5-10个头之间。我们首先要把这个衣服架子的比例和姿态表现出来，再添加服装效果。值得注意的是，服装与人体的比例、角度要一致，服装会随着人体的姿态和动作产生相应的衣纹和变化。面料不同，线条的表现手法也就不同，这里的练习一定要规范，如何熟练地画出线描稿很关键，经常有同学画着半侧的人体却穿着正面的衣服，或者是衣服没有随人体动作产生衣纹，而是将款式图生硬地套在人体上，这样服装效果图就显得僵硬、不自然，不能展示好的着装效果，也就无法将自己想象的美感准确地表达出来，我们常说的心有余而力不足大概就是指这种情况了。因此，规范的技能练习就显得举足轻重了。当然，熟练地画出线描稿还不是最终目标，对于配色的构想也要求同学们表现出来，那么如何调色、如何着色、如何用笔等都要有规范的要求。服装设计思维是一种形象思维，最终要靠“图”或“画”来表现自己的构思。因此，服装美术课上不仅要训练学生敏锐的观察力、宽泛的联想力和丰富的想象力，更要训练规范的美术表现能力。

服装美术设计课中审美的自由与技能的规范是密不可分的，不规范的技能使你无法自由地表现美，更无法准确地传达美，从而使你的作品无法得到他人的理解与认同，也就是说，只有技能规范才能准确表现你的构思，才能实现审美自由。

四自由度机械手的设计 篇12

1 机械手的总体设计

1.1 机械手基本形式的选择

常见的工业机械手根据手臂的动作形态, 按坐标形式大致可分为直角坐标型机械手、圆柱坐标型机械手、球坐标 (极坐标) 型机械手和多关节型机机械手。其中, 由于圆柱坐标型机械手结构简单紧凑, 定位精度较高, 占地面积小, 因此, 本设计采用圆柱坐标。机械手搬运物品如图1所示。在图1中, 机械手的任务是将传送带A上的物品搬运到传送带B.

1.2 机械手的主要部件和运动

根据设计任务, 选定圆柱坐标式机械手的基本方案。为了满足设计要求, 本设计的机械手具有5个自由度, 分别是手抓张合、手部回转、手臂伸缩、手臂回转和手臂升降。

本设计的机械手主要由4个大部件和5个液压缸组成: (1) 手部。采用一个直线液压缸, 通过机构运动实现手抓的张合。 (2) 腕部。采用一个回转液压缸实现手部108°回转。 (3) 臂部。采用直线缸来实现手臂平动1.2 m。 (4) 机身。采用一个直线缸和一个回转缸来实现手臂的升降和回转。

本设计的机械手由以下几个系统组成: (1) 执行系统。工业机器人完成抓取工件由执行系统来完成, 应该用气爪、底座旋转、手臂升降、手臂伸缩等所必需的机械部件来实现各种运动。 (2) 驱动系统。本设计选用机械传动、气压传动和电机驱动来为各部件提供动力, 驱动动力装置是机械手运动的动力。 (3) 控制系统。控制系统发出指令控制驱动系统, 最后由执行系统按照规定的要求进行工作。发生错误或故障时, 控制系统会发出报警信息, 这是机械手的核心。

2 方案确定

该设计中的机械手为四自由度, 其中, 2个为旋转, 2个为平移。在四自由度机械臂实验平台上, 可以实现多个物体从起始位置到不同目标位置的搬运和摆放。

应用精巧的机械结构设计和良好的伺服控制驱动这两项功能来实现设计所需功能, 其中, 抓取和移动是两个最主要的功能。

该设计根据设计要求、工作原理、设计内容和需求来确定机械手, 机器人的旋转运动采用谐波齿轮传动和步进电机驱动来实现。利用另一台步进电机驱动滚珠丝杠旋转, 从而使与滚珠丝杠螺母副固连在一起的手臂进行上下运动。由于本设计中的机械手工作区域较小, 因此, 要利用气缸驱动来实现手臂的伸缩运动。末端夹持器则选用气爪或电磁来做夹持器。气爪的旋转则由与气爪连接的摆动气缸来实现, 或者在末端安装一个可以抓取物体的电磁手爪。

2.1 机械手驱动系统设计

2.1.1 机械手驱动器

机械手驱动系统包括驱动器和传动机构, 它们常与执行器连成一体, 驱动臂、杆和载荷完成指定的运动。常用的驱动器有电机、液压和气动等驱动装置, 其中, 电机驱动器是最常用的驱动方式, 包括直流伺服电机、交流伺服电机和步进电机等。本设计中底座的旋转与手臂升降都采用步进电机作为驱动器, 而手臂的伸缩则选用七缸作为驱动器, 气爪的翻转是通过摆动气缸来驱动的。

2.1.2 机械手传动机构

手臂的升降是通过步进电机连接联轴器与丝杆而实现的。在手臂上安装丝杆螺母副, 从而驱动手臂的升降。手臂的伸缩是通过气缸杆直接连接装有摆动气缸的摆动气缸安装板来实现的。气爪的旋转是通过摆动气缸连接气爪的附件来实现的。底座的旋转是通过步进电机联接谐波齿轮直接驱动转动机座转动来实现的。

2.2 各电动机的选择

进电动机又称脉冲电动机, 是一种把电脉冲信号转换成与脉冲数成正比的角位移或直线位移的执行电机。本文中的机械手系统要求的定位精度较高, 而步进电机对系统位置控制比较准确, 且易于控制, 因此, 本机械手选用的驱动电机都是步进电机。

3 结束语

本文对机械手的整体设计进行了分析, 并对机身的回转机构和升降机构进行设计计算。同时, 还分析了升降立柱不自锁的条件, 这是机身设计中不可缺少的部分。

摘要：随着社会的不断发展, 机器人的应用越来越广泛, 用机器取代人力, 将是社会不断发展的趋势。通过对四自由度机械臂的机械和电气特性进行阐释, 说明了机器人机械手的设计方法。

关键词：四自由度,机械手,驱动系统,结构设计

参考文献

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