基于創(chuàng)新理論的“機(jī)電一體化技術(shù)”課程模式改革探索

肖楠?張陳?郭維城?劉圓圓

摘要：在大學(xué)機(jī)械類專業(yè)“機(jī)電一體化技術(shù)”課程教學(xué)中滲透創(chuàng)新能力體系理論，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，使學(xué)生建立創(chuàng)新理念。對(duì)傳統(tǒng)的教學(xué)模式進(jìn)行了改革，提出基于創(chuàng)新作品制作的機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力及設(shè)計(jì)能力，并應(yīng)用TRIZ理論及軟件輔助實(shí)踐設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新能力體系理論；機(jī)電一體化；教學(xué)內(nèi)容改革；TRIZ

作者簡(jiǎn)介：肖楠（1980-），男，遼寧沈陽(yáng)人，沈陽(yáng)工程學(xué)院機(jī)械學(xué)院，副教授。（遼寧 沈陽(yáng) 110136）

基金項(xiàng)目：本文系遼寧省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2012年度立項(xiàng)課題（課題編號(hào)：JG12DB326）、沈陽(yáng)工程學(xué)院“教研青年基金項(xiàng)目”（項(xiàng)目編號(hào)：Q1205）的研究成果。

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）09-0083-02

在機(jī)電一體化課程教學(xué)中引進(jìn)創(chuàng)新能力體系理論，鼓勵(lì)學(xué)生的創(chuàng)新精神，并且對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)進(jìn)行改革。通過(guò)課程設(shè)計(jì)教學(xué)模式改革建立學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)立意，并通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，樹立大學(xué)生“終身創(chuàng)新”的理念。

一、“機(jī)電一體化技術(shù)”課程綜述

1.“機(jī)電一體化技術(shù)”課程的定位

機(jī)電一體化是一個(gè)交叉學(xué)科，與機(jī)械技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)有機(jī)結(jié)合，所涉及的內(nèi)容十分廣泛。同時(shí)是微電子技術(shù)向傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)滲透的過(guò)程中發(fā)展出來(lái)的一門綜合性技術(shù)課程，包括機(jī)電一體化的分類、相關(guān)技術(shù)及設(shè)計(jì)方法；組成機(jī)電一體化系統(tǒng)的典型子系統(tǒng)；機(jī)電一體化系統(tǒng)的傳統(tǒng)控制策略、現(xiàn)代控制策略和智能控制策略；機(jī)器人技術(shù)；數(shù)控技術(shù)；微系統(tǒng)技術(shù)；故障診斷技術(shù)和激光加工技術(shù)等。

2.機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)的教學(xué)要求

通過(guò)進(jìn)行課程設(shè)計(jì)使學(xué)生了解或掌握如下技能：了解和掌握PLC在機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用；采用微型計(jì)算機(jī)（包括單片機(jī)）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和控制；選用驅(qū)動(dòng)控制電路，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制；精密執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，提出裝配圖和零件加工圖；采用傳感器進(jìn)行反饋控制或作為測(cè)量敏感器件。

二、基于創(chuàng)新作品制作的機(jī)電一體化教學(xué)模式

1.創(chuàng)新作品設(shè)計(jì)開題——滲透創(chuàng)新能力體系理論

課程設(shè)計(jì)時(shí)，并不一定要對(duì)上面的內(nèi)容面面俱到，但要對(duì)學(xué)生進(jìn)行全面訓(xùn)練，則盡可能多涉及一些。為了讓學(xué)生既要滿足以上教學(xué)要求，又增加對(duì)該門課程的學(xué)習(xí)熱情，在課程設(shè)計(jì)教學(xué)中滲透了創(chuàng)新能力體系理論，并且要求學(xué)生自擬設(shè)計(jì)題目，鼓勵(lì)題目的創(chuàng)新性。當(dāng)擬定題目后組織專業(yè)課教師與學(xué)生之間進(jìn)行“師—師”、“師—生”、“生—生”討論，探討方案及題目的可行性。最后進(jìn)行開題答辯，對(duì)于答辯通過(guò)的設(shè)計(jì)題目進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.創(chuàng)新作品設(shè)計(jì)——引入創(chuàng)新能力體系設(shè)計(jì)軟件

設(shè)計(jì)過(guò)程中，在采用原有設(shè)計(jì)軟件的基礎(chǔ)上引入如下創(chuàng)新能力體系設(shè)計(jì)軟件：

（1）綜合知識(shí)挖掘工具——Knowledgist。Knowledgist軟件的主要功能是：采用語(yǔ)義處理技術(shù)可同時(shí)智能化處理多篇不同格式的文檔，同時(shí)將文檔中的知識(shí)點(diǎn)按主題含義分類，建立知識(shí)庫(kù)，借助智能化的知識(shí)庫(kù)索引，使用者不需閱讀全文即可對(duì)文章內(nèi)容一目了然。

軟件特點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)站處理和專利分析；并行使用一組通用搜索引擎，可同時(shí)搜索并處理所有的網(wǎng)站或某一工業(yè)類別中的站點(diǎn)，形成一個(gè)條理清晰的知識(shí)庫(kù)。

Knowledgist軟件的應(yīng)用能夠使學(xué)生在設(shè)計(jì)過(guò)程中不斷了解工業(yè)動(dòng)態(tài)，多方挖掘知識(shí)，對(duì)自己的設(shè)計(jì)思維增加信心。通過(guò)軟件還可以進(jìn)行專利分析，使同學(xué)們知道在機(jī)電一體化的設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)明是層出不窮的，多名同學(xué)通過(guò)設(shè)計(jì)新思維進(jìn)行了專利申請(qǐng)的策劃。

（2）計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新軟件——TechOptimizer。TechOptimizer

軟件是以TRIZ創(chuàng)新能力理論為理論基礎(chǔ)，結(jié)合創(chuàng)造性設(shè)計(jì)方法，輔助工程技術(shù)人員、科研人員以及企業(yè)經(jīng)營(yíng)者進(jìn)行產(chǎn)品改進(jìn)、新產(chǎn)品開發(fā)以及獲得突破性創(chuàng)新技術(shù)的計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新軟件。它以分析解決產(chǎn)品及其制造過(guò)程中遇到的矛盾為出發(fā)點(diǎn)，從而可以從根本上解決新產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中遇到的技術(shù)難題而實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新，并可為工程技術(shù)領(lǐng)域新產(chǎn)品、新技術(shù)的創(chuàng)新提供科學(xué)的理論指導(dǎo)，并指明探索方向。

主要特點(diǎn)：根據(jù)用戶需求，快速發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有產(chǎn)品或流程中存在的問題，并給出高質(zhì)量的解決方案；幫助設(shè)計(jì)者解決技術(shù)矛盾，避免妥協(xié)設(shè)計(jì)；加速新產(chǎn)品和工藝的研發(fā)過(guò)程；在概念設(shè)計(jì)階段進(jìn)行成本分析，有效降低產(chǎn)品成本；智能化的向?qū)щS時(shí)給出操作提示，軟件使用更容易；自動(dòng)生成分析報(bào)告。

通過(guò)對(duì)TechOptimizer軟件的使用，使學(xué)生對(duì)自己的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行分析，在概念設(shè)計(jì)階段就可以接觸到機(jī)電一體化設(shè)計(jì)的前沿部分，學(xué)生自擬題目中多涉及可編程控制器、智能傳感器、太陽(yáng)能產(chǎn)品等。通過(guò)TechOptimizer軟件，可以隨時(shí)了解以上產(chǎn)品在工業(yè)中的動(dòng)態(tài)，避免重復(fù)設(shè)計(jì)，并可以通過(guò)對(duì)類似產(chǎn)品的了解和學(xué)習(xí)，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

3.創(chuàng)新作品實(shí)物或模型制作——驗(yàn)證創(chuàng)新設(shè)計(jì)可行性

設(shè)計(jì)作品的實(shí)物制作是創(chuàng)新設(shè)計(jì)的重要部分，在題目論證階段，通過(guò)師生的探討，對(duì)于設(shè)計(jì)題目的成本進(jìn)行分析。通常要求設(shè)計(jì)的產(chǎn)品能夠制作出實(shí)物，由工程訓(xùn)練中心提供必要的機(jī)加及電路板等設(shè)備，指導(dǎo)學(xué)生完成成品制作；如果成本過(guò)高，則進(jìn)行模型的制作。

實(shí)物制作可以使學(xué)生的設(shè)計(jì)作品更加貼近生活，而實(shí)際作品中也產(chǎn)生了大量貼近生活的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。同時(shí)充分利用電學(xué)、力學(xué)、傳感器等知識(shí)，對(duì)自己身邊的生活進(jìn)行改造，大大增加了學(xué)生對(duì)課程乃至專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣。同時(shí)要求實(shí)物制作還可以避免不切實(shí)際的設(shè)計(jì)，更加加深學(xué)生對(duì)機(jī)械、控制工程等相關(guān)學(xué)科嚴(yán)謹(jǐn)性的認(rèn)識(shí)。

三、舉例說(shuō)明基于創(chuàng)新作品制作的機(jī)電一體化教學(xué)模式的應(yīng)用

創(chuàng)新能力體系理論和創(chuàng)新能力體系設(shè)計(jì)軟件，能夠拓展學(xué)生的設(shè)計(jì)思路，并在設(shè)計(jì)中有良好的成就感。筆者在機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)教學(xué)中采用基于創(chuàng)新作品制作的教學(xué)模式，在機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化本科兩個(gè)專業(yè)共57個(gè)同學(xué)進(jìn)行的教學(xué)改革過(guò)程中，共有34個(gè)題目最終通過(guò)審核，成為各自的設(shè)計(jì)任務(wù)。對(duì)于沒有通過(guò)開題審核的學(xué)生，可以進(jìn)行傳統(tǒng)課程設(shè)計(jì)。通過(guò)三周的設(shè)計(jì)，學(xué)生基本完成了設(shè)計(jì)任務(wù)、設(shè)計(jì)說(shuō)明書、控制程序（包括可編程控制器和單片機(jī)控制），機(jī)械圖紙部分也全部完成，并且大部分同學(xué)完成了成品或模型的制作工作。

最終通過(guò)本次設(shè)計(jì)，共有兩名同學(xué)的設(shè)計(jì)申報(bào)了國(guó)家實(shí)用新型設(shè)計(jì)發(fā)明專利，并獲得授權(quán)，分別為“一種可以防盜、防側(cè)翻及減噪的新型下水井蓋”（專利號(hào)：201020210628.1）、“一種基于逃生功能的汽車車窗改進(jìn)設(shè)計(jì)”（專利號(hào)：201020210628.1）。另有6項(xiàng)設(shè)計(jì)也完成了查新和申報(bào)文件制作，擬申報(bào)專利。下面以第一個(gè)設(shè)計(jì)作品為例闡述基于創(chuàng)新作品制作的機(jī)電一體化教學(xué)模式的應(yīng)用。

1.“一種可以防盜、防側(cè)翻及減噪的新型下水井蓋”設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

井蓋被盜及由于車輛傾軋側(cè)翻的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，在保留普通井蓋主要功能（掩井御物）不變的前提下，對(duì)普通井蓋進(jìn)行改進(jìn)。通過(guò)從井蓋及井圈結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)來(lái)設(shè)計(jì)，來(lái)減少普通井蓋被盜及噪聲給市民帶來(lái)的安全威脅，進(jìn)而完善實(shí)際的防盜、防側(cè)翻及減噪的功能。

2.TRIZ分離原理在學(xué)生設(shè)計(jì)作品“一種可以防盜、防側(cè)翻及減噪的新型下水井蓋”中的應(yīng)用

分析及設(shè)計(jì)過(guò)程如下：

（1）對(duì)目前普通井蓋設(shè)計(jì)的分析——引入Knowledgist軟件。通過(guò)對(duì)灰口鑄鐵井蓋、硅塑井蓋、水泥井蓋等各種常用井蓋的承載能力、使用范圍、使用環(huán)境、使用壽命等多方面的分析，通過(guò)Knowledgist軟件對(duì)現(xiàn)有的各種井蓋在防盜、易側(cè)翻等缺點(diǎn)進(jìn)行分析，決定采用分離原理對(duì)井蓋的開啟裝置進(jìn)行改進(jìn)。

（2）創(chuàng)新作品的設(shè)計(jì)創(chuàng)意——運(yùn)用TRIZ分離原理。使用TRIZ空間分離原理進(jìn)行創(chuàng)新思維，運(yùn)用磁力瞬時(shí)性原理解決子系統(tǒng)沖突：磁力表座旋轉(zhuǎn)按鈕在九十度旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)會(huì)使磁力從很微弱瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)楹艽蠡驈暮艽笏查g轉(zhuǎn)變?yōu)楹芪⑷?，根?jù)此原理，設(shè)計(jì)了磁力開啟裝置，并將其應(yīng)用于下水道井蓋的研究之中。應(yīng)用這一原理，在下水道井蓋放好之后，如果想把井蓋開啟，不會(huì)像開啟普通井蓋那樣容易，因?yàn)樵诰w外表面沒有開啟洞眼，必須使用專門設(shè)計(jì)的專業(yè)磁力裝置來(lái)開啟。

（3）具體設(shè)計(jì)內(nèi)容：設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括兩項(xiàng)。一是井圈與井蓋連接處結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)楔形面和豎直面接觸的結(jié)構(gòu)。二是井蓋外表面改造設(shè)計(jì)：主要包括設(shè)計(jì)無(wú)開啟洞眼的外表面。

首先是井圈與井蓋連接處結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為了使井蓋能夠防側(cè)翻及減噪的功能，把井圈與井蓋的連接處設(shè)計(jì)成楔形面和豎直面接觸的結(jié)構(gòu)。楔面能夠使井圈與井蓋的接觸面積更大，進(jìn)而能夠減輕因接觸間隙而產(chǎn)生的噪音，而豎直面能夠產(chǎn)生最大的扭矩，進(jìn)而起到防側(cè)翻的功能。

其次是井蓋外表面改造，設(shè)計(jì)的新型井蓋是沒有開啟洞眼的，其目的就是為了讓盜賊沒有可乘之機(jī)偷盜井蓋。同時(shí)設(shè)計(jì)了專業(yè)的井蓋開啟裝置，其核心結(jié)構(gòu)也是這個(gè)磁力裝置。

在下水道防側(cè)翻井蓋設(shè)計(jì)過(guò)程中首次使用磁力機(jī)構(gòu)，最主要的特點(diǎn)就是整個(gè)設(shè)計(jì)構(gòu)件沒有用到電力設(shè)備，不用大量的材料，加工成本較低，而且本次設(shè)計(jì)的下水道防側(cè)翻井蓋結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)和實(shí)際的應(yīng)用 。

3.設(shè)計(jì)總結(jié)

本次設(shè)計(jì)充分利用了現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論TRIZ中的分離原理，使井蓋在平時(shí)狀態(tài)下無(wú)法開啟，并設(shè)計(jì)了專用的開啟裝置，整個(gè)設(shè)計(jì)使用了機(jī)電一體化設(shè)計(jì)中的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、磁力學(xué)設(shè)計(jì)，并且根據(jù)設(shè)計(jì)環(huán)境避免了電學(xué)設(shè)計(jì)，達(dá)到了機(jī)電一體化設(shè)計(jì)的要求同時(shí)，增強(qiáng)了設(shè)計(jì)的興趣。同時(shí)要求學(xué)生進(jìn)行樣品制作，學(xué)生最終完成了模型制作，并申請(qǐng)了實(shí)用新型專利，獲得了授權(quán)。

四、結(jié)語(yǔ)

學(xué)生個(gè)性及創(chuàng)造性的培養(yǎng)是工程教育的關(guān)鍵所在，因?yàn)椤肮こ處焺?chuàng)造未來(lái)的世界”。工程師的任務(wù)是發(fā)明和創(chuàng)造，將已有的科學(xué)技術(shù)成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際的工業(yè)技術(shù)與產(chǎn)品，依賴于工程師的創(chuàng)新能力。

機(jī)電一體化技術(shù)是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化學(xué)科的重要專業(yè)課，在教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維具有重要的意義，也為學(xué)生未來(lái)工作中的設(shè)計(jì)理念打下一定的基礎(chǔ)。改革過(guò)程中筆者有以下體會(huì)：第一，大學(xué)生通常具有很強(qiáng)的創(chuàng)新需求，需要指導(dǎo)教師加以引導(dǎo)，在教學(xué)過(guò)程中幫助學(xué)生樹立發(fā)現(xiàn)問題并且解決問題的信心。本次改革取得了良好的教學(xué)效果。第二，大學(xué)生想象力豐富，這些題目增加了教師的工作量，對(duì)教師的個(gè)人設(shè)計(jì)能力及應(yīng)變的能力和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)也提出了很大挑戰(zhàn)，需要教師本身樹立創(chuàng)新意識(shí)，并且通過(guò)不斷的學(xué)習(xí)提高解決問題的能力。第三，本次改革中有11名學(xué)生（約20%）沒有完成創(chuàng)新設(shè)計(jì)題目論證，最終還是進(jìn)行了傳統(tǒng)題目的設(shè)計(jì)，也有學(xué)生最終沒有完成成品制作。除去學(xué)生個(gè)人原因，這一現(xiàn)象也值得教師思考：創(chuàng)新思維訓(xùn)練是否在學(xué)生入學(xué)之初就應(yīng)該提倡和推廣？面對(duì)不同的就業(yè)層面和社會(huì)需求，高校是否能夠考慮重點(diǎn)課程的多元化考核出口？這些問題尚需繼續(xù)研究與探討。

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（責(zé)任編輯：王意琴）