網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)開放實(shí)驗(yàn)基地組織模式、管理與實(shí)踐研究

羅天洪

[摘要]筆者建立了一個(gè)功能相對完善、能支持網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)開放實(shí)驗(yàn)基地的研究平臺,研究了開放實(shí)驗(yàn)基地的組織模式、管理機(jī)制和推廣應(yīng)用策略;結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和其它工程技術(shù),把傳統(tǒng)創(chuàng)新基地建設(shè)拓展到更廣的網(wǎng)絡(luò)虛擬環(huán)境,研究了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)開放實(shí)驗(yàn)基地建設(shè)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)。

[關(guān)鍵詞]網(wǎng)絡(luò)環(huán)境 機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)基地

從2002年起,教育部在工作要點(diǎn)中明確提出:“高等學(xué)校要充分利用現(xiàn)代化教學(xué)手段,注重培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)精神、科學(xué)態(tài)度,切實(shí)提高實(shí)踐環(huán)節(jié),培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力及創(chuàng)業(yè)能力,全面推進(jìn)素質(zhì)教育”。而實(shí)施素質(zhì)教育的核心就是學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng),高校創(chuàng)新基地是培養(yǎng)人才和科學(xué)研究的基地,是培養(yǎng)學(xué)生全面素質(zhì)和創(chuàng)新能力的重要基地。機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)開放實(shí)驗(yàn)基地的目標(biāo)就是:通過更新觀念,改革實(shí)驗(yàn)教學(xué),加強(qiáng)學(xué)生的動手能力、實(shí)驗(yàn)組織能力、實(shí)際解決問題和分析問題的能力及創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。

一、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)開放實(shí)驗(yàn)基地的提出與現(xiàn)狀

現(xiàn)有的很多大學(xué)的創(chuàng)新基地建設(shè)長期進(jìn)展緩慢,設(shè)備資源種類和數(shù)量少、技術(shù)水平低、不系統(tǒng)、不完善,尤其一些重要的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)設(shè)備/手段單一、設(shè)備陳舊,一些綜合性、設(shè)計(jì)性、創(chuàng)造性的實(shí)驗(yàn)幾乎是空白,嚴(yán)重制約了本科生、研究生教學(xué)質(zhì)量的提高和學(xué)科發(fā)展水平;一些條件較好的高校,雖然可以建設(shè)較好的軟硬件環(huán)境,創(chuàng)建較好的基地條件,然而,現(xiàn)在的軟件和硬件的發(fā)展日新月異,想通過自己一家之力辦成最新最前沿的基地,這樣的投入,無疑會成為高校的巨大負(fù)擔(dān);同時(shí)每個(gè)高校有自己的特色專業(yè)和特色學(xué)科,他們無疑會追加相應(yīng)的投入以促進(jìn)其發(fā)展,每個(gè)高校想把每個(gè)專業(yè)都辦成最有特色,這是不現(xiàn)實(shí)的。在這種情況下,作者一直在探索,能否通過某種機(jī)制/平臺,共享各個(gè)基地的資源,把眾多高校的創(chuàng)新基地集中起來,辦成一個(gè)規(guī)模大、設(shè)施齊全、師資強(qiáng)的一個(gè)創(chuàng)新基地平臺。如今,網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和虛擬實(shí)驗(yàn)室的研究相對成熟,但是純粹的網(wǎng)上虛擬實(shí)驗(yàn),有太多的理想成分,與現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)場地和實(shí)驗(yàn)對象不符,實(shí)驗(yàn)效果的失真度較大。因此,隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)、多媒體技術(shù)、接口技術(shù)的發(fā)展,提出了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)開放實(shí)驗(yàn)基地組織模式、管理與實(shí)踐研究,旨在通過Internet,整合本地資源、共享兄弟單位資源,搭建一個(gè)跨地域的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)開始實(shí)驗(yàn)基地平臺,同時(shí)也解決了傳統(tǒng)創(chuàng)新基地中設(shè)備投資大、維護(hù)工作艱巨、缺乏靈活性、人機(jī)交互能力差、可視化程度低、計(jì)算能力低、無資源共享性等問題,因此具有較高的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益,具有重要的推廣價(jià)值。

為提高大學(xué)生的創(chuàng)新能力,許多國家都把培養(yǎng)創(chuàng)新型人才擺在戰(zhàn)略的高度加以重視,許多高校率先組建以工程培訓(xùn)中心、創(chuàng)新實(shí)踐基地為代表模式的新型校內(nèi)工程創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)基地。美國 Illinois大學(xué)的Nmrscope系統(tǒng),通過Internet,研究人員在任何地方都能使用Illinois大學(xué)的試驗(yàn)設(shè)備和資源。Carnevale研究了一種教學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室。陳吉明提出了包括創(chuàng)新產(chǎn)品實(shí)例展示及創(chuàng)造發(fā)明成果展示室、創(chuàng)新產(chǎn)品剖析室、創(chuàng)新設(shè)計(jì)室、現(xiàn)代設(shè)計(jì)室、加工制作實(shí)踐室、性能測試室、創(chuàng)業(yè)孵化器室在內(nèi)的創(chuàng)建創(chuàng)新基地的方案和措施。鄧國紅就建設(shè)創(chuàng)新實(shí)踐基地的意義、構(gòu)成、方案等問題進(jìn)行了探討。孫晉萍討論了機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)踐創(chuàng)新基地建設(shè)的問題,從創(chuàng)新基地建設(shè)的必要性、模式,以及創(chuàng)新基地的實(shí)施措施等方面進(jìn)行了探討。陳啟軍介紹了同濟(jì)大學(xué)智能機(jī)器人創(chuàng)新基地的建設(shè)的基本情況。曾寶成就機(jī)械動力類專業(yè)創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)基地建設(shè)的探索。劉祥樓探討了大學(xué)生校內(nèi)創(chuàng)新教育基地建設(shè)的研究與實(shí)踐。雷斌探索了高校工科實(shí)驗(yàn)基地過渡到創(chuàng)新基地途徑。耿桂紅研究了建立創(chuàng)新基地、培養(yǎng)創(chuàng)新人才的意義和方案。廣東工業(yè)大學(xué)介紹了其機(jī)械教學(xué)示范中心的措施和取得的效果。

本文提出了網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)開放實(shí)驗(yàn)基地組織模式、管理與實(shí)踐研究,研究了本地物理創(chuàng)新基地建設(shè)模式、創(chuàng)新基地管理模式、實(shí)現(xiàn)與推廣等方面的關(guān)鍵技術(shù),為網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下創(chuàng)新基地的研究提供全新的基礎(chǔ)理論、方法和技術(shù)。深化了教學(xué)改革、探索新的人才培養(yǎng)模式、拓寬學(xué)生思維方式,以更寬、更強(qiáng)的創(chuàng)新基地平臺培養(yǎng)寬基礎(chǔ)、強(qiáng)能力、高素質(zhì)的創(chuàng)新人才,提高了學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。

二、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)開放實(shí)驗(yàn)基地的平臺構(gòu)成

網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)開放實(shí)驗(yàn)基地的平臺構(gòu)成主要包括開放實(shí)驗(yàn)基地的組織模式、管理機(jī)制和推廣應(yīng)用策略三方面的內(nèi)容。

1.網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)開放實(shí)驗(yàn)基地組織模式

借鑒國內(nèi)外先進(jìn)的開放實(shí)驗(yàn)基地組織模式,開展理論教學(xué)、課程實(shí)踐和創(chuàng)新實(shí)踐相結(jié)合,分層次、分專業(yè)方向,突出先進(jìn)性、創(chuàng)新性,建設(shè)一個(gè)高水平的創(chuàng)新實(shí)踐基地組織體系。通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù),把傳統(tǒng)的實(shí)踐基地建設(shè)拓展到更大的網(wǎng)絡(luò)空間,實(shí)現(xiàn)資源的共享,力求最終建成一個(gè)與國際創(chuàng)新教學(xué)接軌、國內(nèi)先進(jìn)的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)開放實(shí)驗(yàn)基地組織體系。以其為創(chuàng)新教育和科技創(chuàng)新活動的載體,強(qiáng)化機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)開放實(shí)驗(yàn)基地孵化功能,開展多層次的科技創(chuàng)新實(shí)踐活動,以培養(yǎng)具有真正創(chuàng)新素質(zhì)的人才。

2.網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)開放實(shí)驗(yàn)基地的組建方案

針對機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)方案遵循以培養(yǎng)創(chuàng)新人才為原則,以提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和意識為出發(fā)點(diǎn),配置軟、硬件相結(jié)合的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)開放實(shí)驗(yàn)基地方案體系結(jié)構(gòu)。

硬件方面遵循“基礎(chǔ)原理——基本零件——機(jī)構(gòu)組合——集成創(chuàng)新”這樣的平臺建設(shè)思路。

軟件是硬件的各項(xiàng)功能得以正常發(fā)揮和實(shí)現(xiàn)的核心動力。在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)開放實(shí)驗(yàn)室軟件資源配置方面,主要包括應(yīng)用軟件和二次開發(fā)軟件,應(yīng)用軟件又包括網(wǎng)絡(luò)虛擬軟件、建模軟件、分析軟件、虛擬實(shí)驗(yàn)軟件和仿真軟件。

軟、硬件配置實(shí)現(xiàn)以后,研究相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù),把本地開放實(shí)驗(yàn)基地拓展到網(wǎng)絡(luò)空間,讓遠(yuǎn)程用戶可以共享本地實(shí)驗(yàn)設(shè)備、數(shù)據(jù)資源、甚至實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)開放實(shí)驗(yàn)基地。

3.完善的管理機(jī)制和教學(xué)配套體系建設(shè)以及推廣應(yīng)用研究

傳統(tǒng)實(shí)踐基地簡單化、僵硬化,不能適應(yīng)現(xiàn)代工程實(shí)踐教學(xué)要求,本項(xiàng)目以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和工程技術(shù)為依托,從基地組織模塊、硬件設(shè)備/設(shè)施建設(shè)、制度建設(shè)、隊(duì)伍建設(shè)等方面入手,突出先進(jìn)性、創(chuàng)新性,建立一個(gè)與教學(xué)組織和教學(xué)管理相適應(yīng)的設(shè)計(jì)型、創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)基地體系。力求管理機(jī)制上簡單明了、操作方便。配套體系完善,包括軟件、硬件、和相應(yīng)的設(shè)施及工程技術(shù)背景。推廣方面立足實(shí)用、便捷的原則,最大限度的為提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和創(chuàng)造性服務(wù)。

三、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)開放實(shí)驗(yàn)基地的實(shí)現(xiàn)技術(shù)

1.機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)開放實(shí)驗(yàn)基地組織模式

運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和相關(guān)工程技術(shù),以全校各專業(yè)本科生研究生為基本對象,以創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的訓(xùn)練為核心,以培養(yǎng)高素質(zhì)、復(fù)合型人才為宗旨,以不斷孵化創(chuàng)新人才、創(chuàng)新作品、創(chuàng)新思想等創(chuàng)新教育成果為目標(biāo),努力建設(shè)一個(gè)基本涵蓋創(chuàng)新體系內(nèi)容,可以對學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新思維訓(xùn)練、團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新訓(xùn)練、知識整合項(xiàng)目訓(xùn)練、科研成果轉(zhuǎn)化訓(xùn)練等各種層次訓(xùn)練的全方位開放式創(chuàng)新實(shí)踐訓(xùn)練基地。具體的組織模式為:(1)機(jī)械創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室:運(yùn)用目前世界上先進(jìn)的創(chuàng)意組件和軟件及其算法等對大學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新訓(xùn)練,通過對實(shí)際工程問題的觀測、分析、更新、設(shè)計(jì)、實(shí)踐,激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識,培養(yǎng)創(chuàng)新能力。(2)機(jī)械創(chuàng)新技術(shù)模擬中心:創(chuàng)新技術(shù)模擬是創(chuàng)新訓(xùn)練的核心,其主要任務(wù)是通過實(shí)際創(chuàng)新產(chǎn)品的研制,讓學(xué)生體驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)及其制作的全過程。(3)創(chuàng)新成果孵化中心:創(chuàng)新成果孵化中心的主要工作是搭建創(chuàng)新項(xiàng)目綜合開發(fā)孵化平臺,為創(chuàng)新項(xiàng)目提供必要的實(shí)驗(yàn)場地、設(shè)備等條件,和資金扶持,最終將這些創(chuàng)新成果推向社會,轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。為學(xué)有余力的優(yōu)秀同學(xué)提供一個(gè)綜合設(shè)計(jì)、開發(fā)的實(shí)驗(yàn)場所,鼓勵學(xué)生自主選題,大膽創(chuàng)新,掌握先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法和手段,提高獨(dú)立工作能力和綜合素質(zhì)。 (4)創(chuàng)新培訓(xùn)中心:開設(shè)創(chuàng)造性思維集訓(xùn)、設(shè)計(jì)與制造培訓(xùn)、管理創(chuàng)新基礎(chǔ)培訓(xùn)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及電子商務(wù)培訓(xùn)等模塊,快速提高各種創(chuàng)新能力。

2.網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下,機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)開放實(shí)驗(yàn)基地的建立

根據(jù)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)開放試驗(yàn)基地的要求和特點(diǎn),按照設(shè)立創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室、創(chuàng)新技術(shù)模擬中心、創(chuàng)新成果孵化中心針和創(chuàng)新培訓(xùn)中心的開放實(shí)驗(yàn)基地組織模式的要求,以及“基礎(chǔ)原理——基本零件——機(jī)構(gòu)組合——集成創(chuàng)新”的平臺建設(shè)思路,運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和相關(guān)工程技術(shù),組建本地實(shí)驗(yàn)基地和遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)基地,運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和接口技術(shù),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和資源/設(shè)備共享和硬件在環(huán)的各類(仿真)試驗(yàn)條件。實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)創(chuàng)新組件、創(chuàng)意制作、成果孵化、教學(xué)培訓(xùn)、網(wǎng)絡(luò)組件和硬件等設(shè)施的合理配置與搭配。

構(gòu)造硬件在環(huán)的虛擬試驗(yàn)基地網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,通過軟件來模擬構(gòu)思仿真學(xué)生的創(chuàng)新意圖和提供相應(yīng)的佐證。以網(wǎng)絡(luò)化軟件和硬件在環(huán)的接口軟件來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的搭接。機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)制作仿真創(chuàng)新,利用學(xué)院的UGS建模軟件、CAE分析軟件,以及AMESIM和Simulink軟件進(jìn)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)與運(yùn)動仿真,并同時(shí)可共享兄弟單位的資源。

3.管理機(jī)制與推廣應(yīng)用模式

在學(xué)校的統(tǒng)一規(guī)劃下,實(shí)行專人負(fù)責(zé)制,建立全新的評價(jià)機(jī)制,完善各種管理制度。在培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的過程中,積極實(shí)施創(chuàng)新工程,實(shí)行最大限度的“開放”,并不斷完善各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)室管理規(guī)范和制度,為大學(xué)生創(chuàng)新能力的提高提供堅(jiān)實(shí)的制度保障。首先在機(jī)電學(xué)院各專業(yè)之間共享相關(guān)的資源和試驗(yàn)條件,成功以后在全校推廣,比如,機(jī)電學(xué)院、土木學(xué)院和河海學(xué)院的一些結(jié)構(gòu)分析(仿真)試驗(yàn),就可以共享各個(gè)單位的資源,提高資源利用率,降低成本。本校使用成功以后,再向全重慶市和全國推廣。

四、主要特色

1.網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)開放實(shí)驗(yàn)基地是傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)基地的有效延伸

本項(xiàng)目針對很多大學(xué)專業(yè)口徑窄,師資力量薄弱,儀器設(shè)備欠缺的實(shí)際,我們通過共享/優(yōu)化/重組跨地域跨學(xué)科的各類實(shí)訓(xùn)中心、基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室、工程實(shí)驗(yàn)室、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室、培訓(xùn)中心等原有實(shí)踐教學(xué)資源,組建創(chuàng)新基地,集中師資、設(shè)備力量,加大投入,組建基于硬件在環(huán)的協(xié)同虛擬創(chuàng)新基地,服務(wù)地方經(jīng)濟(jì),拓寬了教學(xué)實(shí)驗(yàn)的時(shí)空觀,提高了效率和效益。

2.良好的交互性、高度自主性和廣泛的協(xié)同性

交互性是遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下創(chuàng)新基地的顯著特點(diǎn),集成系統(tǒng)平臺是仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等計(jì)算機(jī)技術(shù)的有機(jī)組合應(yīng)用,特別是多媒體計(jì)算機(jī)具有圖文并茂、用戶可以進(jìn)行豐富多彩的“人—機(jī)”交互和“人—人”交互。高度自主性體現(xiàn)在,網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下創(chuàng)新基地集成平臺上儲存了大量的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?、物?虛擬實(shí)驗(yàn)儀器儀表、實(shí)驗(yàn)器件或構(gòu)件、物理/虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境、實(shí)時(shí)仿真軟件包等,實(shí)驗(yàn)者可以依據(jù)實(shí)驗(yàn)大綱,根據(jù)自己的需要和興趣,利用虛擬實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛶?自由搭接、組合、拆裝實(shí)驗(yàn)框架,自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)方法,得到相應(yīng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。廣泛的協(xié)同性是網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下創(chuàng)新基地的集成系統(tǒng)平臺是一個(gè)可擴(kuò)展的平臺,任何處于該平臺上的資源都可以相互協(xié)同共享,外部資源可以構(gòu)建相應(yīng)的協(xié)議,也能集成到這個(gè)平臺,組成一個(gè)更大的平臺,協(xié)同虛擬實(shí)驗(yàn)室通過對每個(gè)實(shí)驗(yàn)課程所提供的教學(xué)資源進(jìn)行科學(xué)有效的組合設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上實(shí)驗(yàn)教學(xué)和協(xié)同實(shí)驗(yàn)的目的。

3.具有很強(qiáng)的推廣性

隨著網(wǎng)絡(luò)條件和工程技術(shù)的成熟,該創(chuàng)新基地模式極易推廣開來。

五、解決的教學(xué)問題

1.改善了教學(xué)模式:傳統(tǒng)的教學(xué)模式僵化、呆板,不利于學(xué)生創(chuàng)新能力的鍛煉和提高,網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)開放實(shí)驗(yàn)基地提高了學(xué)生的動手能力、實(shí)驗(yàn)組織能力、實(shí)際解決問題和分析問題的能力及創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。

2.提高了教學(xué)實(shí)踐手段:通過開放實(shí)驗(yàn)基地的創(chuàng)新培訓(xùn)、創(chuàng)新技術(shù)模擬、技術(shù)創(chuàng)新和成果孵化等環(huán)節(jié),提高學(xué)生的創(chuàng)新意識和能力。

3.解決了實(shí)踐教學(xué)中實(shí)驗(yàn)設(shè)備種類和臺套數(shù)不足的問題:通過網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)開放實(shí)驗(yàn)基地可以共享其它單位的軟、硬件資源,提高了資源利用率,降低了成本。

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基金項(xiàng)目:重慶交通大學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)于改革基金(編號:SYJ200830),重慶交通大學(xué)優(yōu)秀青年骨干教師資助計(jì)。