机械创新设计的教学与实践
机械创新设计的教学与实践
摘要：如何培养学生的创新能力成为当今教育工作者的重要任务．首先应提高认识，然后落实措施．有计划有步骤地进行机械创新设计教学与实践的改革．文章就机械创新设计课程的指导思想与定位，在课堂教学，实验教学与第二课堂以及创新设计实践上的一些做法进行了探讨．
关键字：机械创新设计;实验教学;教学改革
1．引言
周济部长指出，中国机械工程教育有三大任务：
1)培养一大批创新型机械工程师：要求德才兼备；具有不断超越自我、超越权威的创新精神；具有持续、超前的学习能力；掌握前沿性专业知识，视野开阔：知识广博，文化底蕴深厚。
2)在回归工程的方向上大力推进机械工程教育改革：面向工程实际培养人才；加强工程训练。
3)大力推进产学研紧密结合：高校、企业、科研院所建立更加紧密的合作关系；科技成果转化；为社会提供服务。
机械工程教育面临的困难和问题是：工程训练软化、实践教学薄弱、脱离工程实际、学生创新能力不足。
所以，培养和提高学生的创新能力是高等教育的一项十分重要的任务，特别是对于机械类学生来说，更应该把培养学生的创新设计、创新思维和动手能力摆在重要的位置，因为机械产品的功能、性能、质量在很大程度上取决于产品的设计，机械产品要达到高水平、占领国内外市场，创新设计是关键之一，如何培养学生的创新能力成为摆在教育工作者面前的一大课题。传统的机械设计系列课程是以传授知识为主，教学方法主要是灌输式，学习方法是应试式，这种培养人才的模式已不能适应形势的需要，为了改变这一局面，教研室除对现有的“机械原理”、机械设计等课程教学和课程设计等环节进行必要的改革外，还增设了“机械创新设计”课程及其相应的创新设计实践，以培养学生的机械创新设计能力和意识，激发学生创新设计的积极性。
2．机械创新设计课程的教学机械创新设计课程与传统课程的主要区别在于：基于学科交叉，把握知识更新，重在能力培养。因此在建设这门课程时，其指导思想是：使学生建立创新设计的知识基础，养成创新设计的思维习惯，提高创新设计的动手能力。课程定位是：将机械创新设计课程建设成融知识传授和能力培养于一体、社会需要、学生喜爱的新型机械类核心课程。
教学内容包括课堂教学、实验教学与第二课堂。在课堂教学中注重创新理论与方法的传授，并且不断更新创新实例，使教学内容与机械学科的发展紧密结合；实验内容除了让学生动手装拆、组合外，更重要的是在创新过程中，认识更多的机构组合创新与结构创新的特点；开辟第二课堂，作为理论教学的实践环节，已经成为最受学生欢迎的教学方式。
(1)课堂教学课堂教学主要讲授的内容有：
1)创新设计概述：阐述了创新设计的特点，及其与常规设计的区别；创新教育与创新人才的培养，介绍了各国创新教育的现状，创新人才的特点，以及排除各种影响创新活动的障碍，例如从众、偏见、保守、思维定势、结构僵化等。通过这部分内容的讲授，主要使学生建立起创新意识，培养学生良好的创造心理。
2)创新思维与技法：介绍了创新思维的特点、过程、以及创新思维方式，例如联想、想象、灵感、横向、逆向、发散思维等；从创造学角度介绍了各种创新技法，例如观察、类比、移植、组合、换元、还原、穷举、集智等：通过这部分内容的讲授，主要使学生能了解各种创新思维的方法及特点，能逐步地养成创新思维习惯；掌握一部分创新技法，并能运用到实践活动中。
3)机械运动方案设计的创新：论述了方案创新，主要包括功能的创新，原理的创新，构型的创新．在原理的创新内容中重点介绍了TRIZ理论及其应用。要求学生在这部分内容的学习中一定要明确机械运动方案设计中创新的意义，要掌握TRIZ理论的基本原理与应用。
4)机构的创新：在机械原理课程的基础上，运用机构学的相关知识，阐述了机构的各种变异创新，组合创新。以及再生创新的方法与应用。要求学生能运用这些方法，按照产品运动要求进行产品的构型创新。
5)机械结构的创新： 在机械设计课程的基础上，运用结构设计的相关知识，阐述了机械零部件的结构元素的各种变异与演化方法。要求学生能运用这些方法，按照产品功能要求进行产品的结构创新。
6)典型机械产品的创新：介绍了动力机械、机床、机器人、自行车的进化过程，这一部分内容再一次强调了创新给人类社会带来的进步与发展。
(2)实验教学
1)场地建设：建立了机械创新实验室。现有面积(260+120)m2，按功能划分为四个实验区，建有四个资源平台。
2)平台(资源)建设：从用途看，实践活动侧重于问题提出、构思实验方案、样机装配与性能调试、实验结果分析等。因此，本实验室资源建设以常用、通用的仪器、工具和设备为主．研制了机构创意组合实验台．购置新设计软件，多功能组合小型机床，工业机器人等提供学生进行创新实验。
3)实验平台：
①安装与调试平台：台虎钳、工具、量具、钳工台、仿真器、示波器、万用表、机械量、物理量测量仪。
②通用机械零件库：MISUMI可装拆重组式实验台架、MISUMI自动化零件，线性导轨、滚珠丝杆、轴承、轴承座、联轴器、齿轮、链轮、带轮等。
③机电系统先进控制技术平台：在日本三菱电机有限公司的支持下，实验室拥有三菱电机最先进的FA产品(PLC、变频器、伺服系统、现场总线等)及配套的控制对象和控制软件。
④学习与交流平台：机械工程手册、图册等工具书，设计与实验资料，投影仪、计算机等设备．4)实验的主要内容：
①机构创意组合实验：实验装置有，机构创意组合实验台；多功能小型组合机床。培养学生动手组装能力，以及通过实际组装加深理解机构组合创新，以及零部件结构变异创新的特点与实际意义。
②TRIZ软件应用：CB／NOVA，Pro／innovator的操作使用与应用。进一步熟悉TRIZ的创新理论，带着实际问题求助于软件，根据给出的答案归纳得出创新解。
(3)第二课堂机械创新实验室还提供了为学生进行机械创新作品的研制与制作的场所，为学生进行创新设计购置了设计软件。电脑：为学生动手制作创新作品购置了小型钻铣床，车床，小型多功能组合机床等；并提出了安全操作规程及操作要领．对学生进行开放，学生可以在此开展第二课堂的各种创新活动，参加学院和北京市教委组织的机械设计大奖赛。通过从市场调研、立项、构思方案、设计与制作的过程，学生各方面的能力与素质都得到了锻炼，学生的团队意识与合作精神得到了培养，并取得了可喜的成绩。
第二课堂已经成了学生最受欢迎的一种学习方式。
3．机械创新设计实践机械创新设计实验室为学生开展以下教学活动提供条件：学生创新设计实践；学生个性化科学研究：
本科生的学科竞赛。具体作法：
(1)选题开放以学生为创新实践的主体，选题均由学生提出，内容与学生的专业、理论课程可以相关。也可以不相关。欢迎有科学性、可操作性或有工程应用价值的任何题选。
全年受理申请，由学院组织有关领域专家，定期对申请书进行评审。对符合要求的实验项目，获准进入，并获准使用各种资源。对优秀的项目，除获准使用各种资源，还由学院提供相应经费支持。
(2)时间开放动手能力的培养需要时间的积淀，允许学生用较长的时间周期(如6～18个月)来完成一项较复杂的创新设计实践活动。
(3)实验室资源开放工具、测量仪表及机械设计手册、资料等开放管理，资源共享。
近几年，我校机械设计教研室在组织学生进行机械创新设计实践过程中作了大量工作，包括：
(1)机械创新设计选题机械创新设计中的选题具有非常重要的地位，它直接关系到设计和产品的创新性，同时选题本身也是一个创造性的思维过程，培养学生自主选题的能力是创新能力培养的重要组成部分。如果设计题目由教师指定，则无疑失去了对学生创造性独立选题能力的训练环节，并且也使学生失去了发挥自身丰富的想象力的机会。由于目前大多数学生受应试教育的影响，普遍存在较强的依赖性，缺少自主观察和分析事物的能力，因此对自主选题往往是一筹未展，不知从何处入手。我们根据这一实际情况，在机械创新设计中着重对学生自主选题能力进行培养，激发学生观察和分析周围事物的兴趣和获取各方面信息的能力。由于机械创新设计课程是在四年级上半学期与众多选修课同时进行，学生普遍还不会运用所学的专业机械知识进行独立设计，所以机械创设计的选题不能过于专业化。另外由于设计时间所限，选题也不宣工作量太大，根据这些具体情况，我们把选题定位在大家所熟悉的常用机械为主，特别是那些大家感兴趣的日常生活所需要韵装置，并且我们把创新设计限定在对现有机械的改进或发明新机械来解决日常生活或生产中的需要。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。
(2)完成设计要求以体现能力为主，每个学生要根据设计选题提出一个机构模型。学生自己设计机械的机构运动简图，根据设计的运动简图图样，组合成机器模型，在创新机构实验台上搭接成设计的机构，能够实现设计要求的运动。设计要求具有创新意识及实用价值。
(3)机械创新设计实施采用机械创新设计实践与课堂教学并行的做法，结合课堂教学内容，与学生讨论设计构思方案，为了使学生们创造性地构思新设计，组织学生对各类选题提出各种奇思妙想，激发学生创新设计的兴趣和热忱。同时介绍一些典型的创新设计实例和实用新型专利以及相关的科技期刊和资料等，培养学生搜集和检索资料的能力。在教学内容过半后，要求每位学生完成一份自己独立构思的创新设计方案，教师对每一方案进行评审，对创新性不够的或没有新意的方案要求重新修改后再评审，直至通过。
所有的创新设计实践工作要求全部利用课余时间完成，教师加强课外辅导，学生在设计中遇到任何问题，都可以及时与教师讨论与研究，另外教师还在模型制作和计算机动画设计中给予详细的指导，在材料、工具、计算机等方面给予支持。
提交的创新设计作品有三种形式，实物模型、研究论文和计算机三维动画，在课程教学完成的同时也必须完成设计工作。审核作品采用初审与终审两步，在初审时对不合格的作品提出修正意见后要求修改，终审时对所有的作品给出最终考核成绩。
4．机械创新设计教学改革的成果实验室的高度开放、自主的无预设主题实验项目选题模式，能充分发挥学生想象力和创造潜能，有利于调动学生的创新实践激情。
基于工程背景，不设定固定的研究期限，学生据根实际情况，确定完成一个课题的全过程所需要的周期，这种做法有助于学生潜心完成一项由一定难度和工作量的实验项目，也有助于学生真正体验、领悟实验、实践在解决工程问题中的意义。
创新能力的培养不是一门课或一次实践教学就可以解决的，创新教育应在课程体系改革的大框架下进行。
近年进行机械创新设计教学改革取得成果有：
1)成功指导学生参加北京市高校第一届机械创新设计大奖赛，课题“典型机械零部件及机构CAD并AoUTocAD的二次开发”获三等奖。
2)成功指导学生参加北京市高校第三届机械创新设计大奖赛，课题“多功能康复医疗床的创新设计”
获一等奖。并取得实用新型“多功能助残康复床”专利，专利号200720005244．4。课题“美人鱼健身器的创新设计”获成功参赛奖。
3)以教研室为主体，举办了北京信息科技大学第一届机械创新设计竞赛暨北京市第四届大学生机械创新设计竞赛选拔赛，大赛主要面向机电工程学院在校05、04级学生(大三、大四)，采取自愿报名方式，全体机械设计教研室老师参加分组指导。优秀作品推荐参加2008年第四届北京市大学生机械创新设计大赛。
A、B两组初赛均以方案设计为主，最后提交正式设计说明以及必要图纸说明。初赛获奖者给与资金资助，以制作实物模型，准备复赛或准备参加北京市比赛。
参加复赛的小组要完成的设计任务包括以下几个方面：①完整的设计说明书(包括纸质和电子文档)：
②用CAD软件绘制的零件图和装配图；③制作三维视频模拟文件，模拟机械的运动过程；④按命题要求对机械进行运动分析或力分析(包括对简单构件有限元分析)；⑤制作实际机械或模型，⑥参加竞赛的学生要作好评审答辩的准备，评审专家将根据竞赛的题目和内容对学生进行提问。答辩采用PPT，时间不超过3min。
本次参加竞赛的学生有86人、26个项目，获校级一等奖的有三项、二等奖的有四项、三等奖的有七项。
鼓励奖的有12项。其中四项参加了北京市高校第四届机械创新设计大奖赛，课题“人力发电机”和“多功能餐桌”分获三等奖；“移动垃圾处理机”、“沼气池清理机”分获成功参赛奖。
5．结束语
通过机械创新设计课程及实验室的建设，使学生建立了创新设计的知识基础，养成了创新设计的思维习惯，通过实践提高了创新设计的动手能力，大大激发了学生创新设计的积极性。这对学生今后参加工作和创业将起到良好的推动作用。
参考文献
【l】黄纯颖，等．机械创新设计【M】．北京：高等教育出版社，2000．
【2】张春林，等．机械创新设计【M】．北京：机械工业出版社，1999．
【3】孙桓，陈作模．机械原理【M】6版．北京：高等教育出版社，2001．
【4】王玉新．机构创新设计方法学【M】．天律：天津大学出版社，1996．