將創(chuàng)新思維方法融入機械原理等課程教學(xué)中的實踐探析

◆劉 揚 銀金光 湯迎紅 周培海

(湖南工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院)

一、引言

機械制造業(yè)是國民經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)和支柱產(chǎn)業(yè)，我國機械制造業(yè)的快速發(fā)展，對機械類人才的素質(zhì)知識與能力結(jié)構(gòu)提出了更高的要求。機械制造企業(yè)需要的是既有機械的理論知識，又具有創(chuàng)新精神、團(tuán)隊協(xié)作能力與機械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計能力人才，這一人才需求的變化，使從事機械人才培養(yǎng)的我國大學(xué)工科教育必須全方位的改革教學(xué)理念與教學(xué)模式，迎接新的挑戰(zhàn)。因此在機械專業(yè)的基礎(chǔ)類課程的教學(xué)過程中，如何培養(yǎng)學(xué)生具有的創(chuàng)新能力、綜合設(shè)計能力及再學(xué)習(xí)能力，是擺在我們面前的一項重要課題。

機械原理是機械專業(yè)的重要的一門專業(yè)基礎(chǔ)主干課程，主要涉及的內(nèi)容是關(guān)于常用機構(gòu)的結(jié)構(gòu)、運動和動力分析及機構(gòu)運動方案設(shè)計。傳統(tǒng)的教學(xué)模式十分注重各種機構(gòu)的結(jié)構(gòu)與運動分析等知識的講解，學(xué)生當(dāng)時雖然學(xué)到了這部分的機械知識，但是普遍缺乏創(chuàng)新意識、缺乏發(fā)現(xiàn)問題能力與解決問題的能力，往往遇到教科書上沒有的實際的機械設(shè)計問題，就束手無策。

二、應(yīng)用案例教學(xué)法，將創(chuàng)新思維方法融入整個教學(xué)過程中

從心理學(xué)角度講，新奇的事物對學(xué)生有特別大的吸引力。在應(yīng)用案例教學(xué)法時，要能針對教學(xué)中的重點，進(jìn)行案例的選擇，恰當(dāng)?shù)卦O(shè)疑，引導(dǎo)學(xué)生主動思維，定向探索問題。

在講解機械原理的基礎(chǔ)知識時，我們收集了典型的機構(gòu)案例，應(yīng)用多媒體教學(xué)手段在課堂上進(jìn)行模擬再現(xiàn)，并設(shè)置問題，這不僅有利于學(xué)生感性認(rèn)識的深化，而且有助于學(xué)生進(jìn)行深入探討和思考，有利于學(xué)生將抽象的機構(gòu)知識形象化，概念具體化。例如，由機構(gòu)組成原理可知，任何平面機構(gòu)都可以看作是由基本機構(gòu)加若干個基本桿組組成的。在講解機構(gòu)組成理論時，我們先出示了一個送杯機構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖，請學(xué)生分析此送杯機構(gòu)能否達(dá)到其設(shè)計目的，這不僅引起了同學(xué)的好奇和爭論，也在課堂上設(shè)置了思維的發(fā)散點，在論述了機構(gòu)具有確定運動的條件后，要學(xué)生運用理論知識分析此送杯機構(gòu)的設(shè)計有哪些問題，提出改進(jìn)方案。這使學(xué)生有了充分的發(fā)表自己見解的思維空間，活躍了課堂教學(xué)氣氛。在此基礎(chǔ)上，帶學(xué)生參觀實驗室的包裝機械和各種機構(gòu)模型，讓學(xué)生繪出其運動簡圖，再在實驗臺上拼接出來。經(jīng)過這么一個過程，在學(xué)生頭腦中，機構(gòu)組成知識就不再是孤立、靜止、抽象的符號與線條、呆板的公式，而是有機的、形象、生動的機構(gòu)知識，同時領(lǐng)悟了機械原理的基本知識來源于工程實踐，這為他們將來進(jìn)行機械方案構(gòu)思打下基礎(chǔ)，激發(fā)了學(xué)生對此課程的學(xué)生興趣。

三、構(gòu)建新型的授課體系，啟迪大學(xué)生創(chuàng)新思維意識

在進(jìn)行教學(xué)過程中，根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與層次的不同，我們采用了靈活的教學(xué)方法，把課堂教學(xué)、學(xué)生分組研究、學(xué)生課外興趣小組指導(dǎo)等方法結(jié)合起來。

課堂授課中，除了講授主要教學(xué)內(nèi)容外，還把機械原理課程的有些章節(jié)授課方式與內(nèi)容作了調(diào)整，把機構(gòu)中的一些理論留給學(xué)生自己去“發(fā)現(xiàn)”，把傳授知識的過程轉(zhuǎn)為由學(xué)生自己“發(fā)現(xiàn)”的過程，使學(xué)生受到科學(xué)思維的訓(xùn)練。例如在講連桿機構(gòu)時，我們運用多媒體課件介紹了連桿機構(gòu)在實際工程中的應(yīng)用和連桿機構(gòu)的類型后，提出了連桿機構(gòu)為什么在機械工程中得到廣泛的應(yīng)用?有哪些基本特性?連桿機構(gòu)的尺寸變化對這些基本特性有何影響等問題。讓學(xué)生每4～5人一組分組課后研究，每組選定一類四桿機構(gòu)，自己擬定尺寸，應(yīng)用三維CAD軟件，進(jìn)行建模和仿真，并作出書面報告。通過三維模擬和分析討論，學(xué)生不僅提高了計算機的應(yīng)用能力，而且因為親自擬定機構(gòu)尺寸，分析和觀察了四桿機構(gòu)的急回特性、壓力角等現(xiàn)象以及尺寸變化后對上述特性的影響等，學(xué)生享受了“發(fā)現(xiàn)”知識的快樂，由于是自己構(gòu)思、自己模擬仿真，生動形象、看得見、印象深，記得牢。我們還布置了一個小論文，論文的題目由學(xué)生自己擬定，內(nèi)容是收集應(yīng)用連桿機構(gòu)的實例，要求觀察日常生活、生產(chǎn)實踐中，哪些物品應(yīng)用了連桿機構(gòu)，要求拍出實物照片，研究的實物用途、滿足的功能，作出實物的機構(gòu)運動簡圖，說明連桿機構(gòu)的類型、特點;說明研究的物品應(yīng)用了連桿機構(gòu)的哪些特性等，分析物品的設(shè)計巧妙之處，還有何不足之處，能否改進(jìn)等。這激發(fā)了學(xué)生很大的熱情，學(xué)生走出課堂收集資料，以前熟視無睹的物體，現(xiàn)在看見其能動，就去捉摸其原理，收集了有玩具、健身器、鉸鏈、電動伸縮門、折疊畫架等四十多種例子。同時，讓小論文寫得較好的學(xué)生在課堂上進(jìn)行演示，由全體學(xué)生討論和評價，這使上臺演示的學(xué)生受到激勵，得到了鍛煉，也使其他學(xué)生受到啟發(fā)，感受到機械就在我們的身邊，消除了對機構(gòu)設(shè)計與創(chuàng)新的神秘感。

在此基礎(chǔ)上建立了課外興趣小組進(jìn)行輔導(dǎo)，在學(xué)生進(jìn)入課題時，向?qū)W生介紹設(shè)計思想和創(chuàng)新方法，引導(dǎo)課題小組積極查找資料，相互討論、相互啟發(fā)、克服思維定勢，發(fā)散和激勵思維，從功能原理的角度出發(fā)，提出多種方案進(jìn)行比較，讓學(xué)生在探索和研究中，逐步解決問題，完成設(shè)計。

四、以創(chuàng)新大賽等實踐活動引路，拓展大學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計能力

創(chuàng)新思維是一種很復(fù)雜的思維活動，它具有以下特征:它是邏輯思維與非邏輯思維(形象思維、直覺、頓悟、靈感)的統(tǒng)一，是求異與求同思維的統(tǒng)一，是擴散思維和集中思維的統(tǒng)一。

機械創(chuàng)新設(shè)計依賴于創(chuàng)新思維，同時機械創(chuàng)新設(shè)計離不開工程實踐。學(xué)生的創(chuàng)新能力是后天獲得的能力，是可以通過工程實踐活動進(jìn)行培養(yǎng)的。通過參加課題研究、實踐等教學(xué)形式，可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新激情，讓他們的創(chuàng)造潛能得以發(fā)揮。在機械原理課程設(shè)計與實驗教學(xué)中，我們鼓勵學(xué)生勇于創(chuàng)新，對設(shè)計課題進(jìn)行多方案構(gòu)思與設(shè)計。我們還借助于全國機械創(chuàng)新大賽、全國工程實訓(xùn)大賽等，鼓勵學(xué)生組成課題小組，自選課題進(jìn)行設(shè)計。針對學(xué)生在自選課題設(shè)計時，存在的雖然有創(chuàng)新意識、有靈感，但是缺乏創(chuàng)新思維方法與創(chuàng)新技能而產(chǎn)生的畏難情緒等問題，我們進(jìn)行有針對性的指導(dǎo)。如通過展示以前各屆學(xué)生的機械創(chuàng)新設(shè)計作品、科技作品圖片，引導(dǎo)學(xué)生仔細(xì)分析這些作品的立意、找出它們創(chuàng)新點與創(chuàng)新思路，以啟發(fā)學(xué)生的思維，打消學(xué)生的畏難情緒。同時讓課題組的學(xué)生自行組織其他專業(yè)的優(yōu)秀學(xué)生加入的課題組來，使小組有不同的專業(yè)的知識結(jié)構(gòu)，采用課題組定期圍繞同一問題進(jìn)行探討，從不同專業(yè)、不同角度提出解決問題的方法，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行發(fā)散思維，提出多種解決問題的方案，然后進(jìn)行分析與綜合，對研究課題中的功能原理、方案認(rèn)證和技術(shù)路線等進(jìn)行正確的確定。這些實踐教學(xué)活動都極大拓展了學(xué)生的思維創(chuàng)新空間和機械創(chuàng)新設(shè)計能力。當(dāng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性也調(diào)動起來了，每個設(shè)計課題都能產(chǎn)生多個方案進(jìn)行比較，有些作品極富創(chuàng)新性和實用價值。例如秦凱同學(xué)設(shè)計的“非浸泡式鞋面清洗機”，就是構(gòu)思了十幾個方案后，最后巧妙地運用了行星齒輪的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)關(guān)系，來實現(xiàn)刷毛與鞋子的相對運動，能無死角地清洗鞋面，而且機構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡單。該設(shè)計獲得2012年湖南省機械創(chuàng)新大賽一等獎，并獲得了國家新型實用專利。

通過上述教學(xué)過程，學(xué)生中涌現(xiàn)出一批好的、有創(chuàng)意機構(gòu)構(gòu)思，但是這些構(gòu)思離實際的產(chǎn)品或模型還有相當(dāng)一段距離。還要進(jìn)行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計等，需要與后續(xù)的機械設(shè)計、機械制造工藝等課程知識打通，才能設(shè)計與做出實際的模型或產(chǎn)品。為此，我們對好的構(gòu)思，讓課題組課外延續(xù)，指派專門老師負(fù)責(zé)指導(dǎo)，并且學(xué)院建立了由老師、學(xué)生和學(xué)院實驗車間組成的創(chuàng)新設(shè)計與制作中心。學(xué)生通過現(xiàn)場制作、安裝調(diào)試，制成機械產(chǎn)品，這一過程大大提高了學(xué)生的團(tuán)隊協(xié)作精神、機械創(chuàng)新設(shè)計能力和實踐動手能力。當(dāng)優(yōu)秀的學(xué)生獲得了各種大賽的獎勵，對于其他的學(xué)生是一種榜樣與激勵，以點帶面，吸引和鼓勵更多的學(xué)生積極參與課外科技活動。這幾年，學(xué)生參加課題研究的人數(shù)逐年增加，參加競賽獲得的獎項與申請的專利也逐年增加。如2008年我院機械基礎(chǔ)部老師指導(dǎo)學(xué)生的作品獲得省機械創(chuàng)新大賽獎一等獎1項、二等獎1項、三等獎1項;2010年獲得省級獎1項、二等獎2項、三等獎2項;2012年獲得省級一等獎1項、二等獎6項、三等獎1項、獲得國家專利2項、學(xué)生發(fā)表論文3篇。

五、結(jié)束語

教學(xué)實踐表明，將創(chuàng)新思維方法融入到機械原理等課程的教學(xué)中，改革機械原理的教學(xué)內(nèi)容與教學(xué)方式，可以有效地將課堂教學(xué)、創(chuàng)新理論和實踐有機結(jié)合起來，能夠充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。年青的大學(xué)生們精力旺盛，思維活躍，關(guān)鍵是如何激發(fā)他們的創(chuàng)新潛力。特別是對積極參加課外興趣小組的學(xué)生，要加強指導(dǎo)，對他們產(chǎn)生的每一點的創(chuàng)新火花，都要進(jìn)行科學(xué)的評價，保護(hù)他們的創(chuàng)新熱情，并引導(dǎo)找出正確的解決問題的方向。

通過在機械原理各教學(xué)環(huán)節(jié)中，注重對學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新思維與機械創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，提高了學(xué)生創(chuàng)新能力和實際動手能力，使學(xué)生在學(xué)習(xí)機械學(xué)科理論知識的同時，潛移默化地形成他們的創(chuàng)新思維能力，取得了較好的教學(xué)效果。

［1］劉揚.“機械設(shè)計”課程中應(yīng)用案例教學(xué)的探討［J］.中國電力教育，2010，(27):64-65.

［2］朱理.機械原理［M］.北京:高等教育出版社，2010.

［3］易杰雄.論創(chuàng)新思維的幾個重要特征［J］.北京社會科學(xué)，2001，(1):58-59.

［4］叢曉霞.機械創(chuàng)新設(shè)計［M］.北京:北京大學(xué)出版社，2008.