機械工程研究生創(chuàng)新能力與實踐環(huán)節(jié)

袁清珂，成思源，駱少明，張湘?zhèn)?/p>

(1.廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，廣東廣州 510006；2.仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院校長辦，廣東廣州 510225)

研究生培養(yǎng)是國家高層次科技人才隊伍建設(shè)的重要組成部分，在國家各項事業(yè)中發(fā)揮著重要作用，他們中間有相當(dāng)一批人已成為各行各業(yè)乃至國家總體建設(shè)的主要骨干力量，使我國科技水平在許多領(lǐng)域內(nèi)達(dá)到或超過國際先進水平，因此，創(chuàng)新一套適應(yīng)新時代要求的研究生培養(yǎng)模式，建立一個比較完善的研究生培養(yǎng)配套機制，培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的研究生，是滿足我國長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展的需要［1-3］。

探索面向研究生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)模式，具有積極的意義。在廣東省學(xué)位與研究生教育改革研究項目(09JGXM-ZD10)的支持下，作者進行了這方面的研究，提出了如圖1所示的以研究生創(chuàng)新能力為目標(biāo)的多樣化培養(yǎng)模式，并進行了實踐，取得了滿意的效果。

圖1 以研究生創(chuàng)新能力為目標(biāo)的多樣化培養(yǎng)模式

1 研究生創(chuàng)新能力多樣化培養(yǎng)體系

根據(jù)調(diào)研分析和科學(xué)研究，提出了如圖1所示的研究生創(chuàng)新能力多樣化培養(yǎng)體系。

(1)學(xué)術(shù)/專業(yè)/應(yīng)用型培養(yǎng)模式

目前，研究生招生出現(xiàn)多樣化趨勢，有博士、碩士，碩士又有學(xué)術(shù)型和專業(yè)型之分，專業(yè)型碩士又分為全日制和非全日制 (不脫產(chǎn)學(xué)習(xí)，傳統(tǒng)上稱為專業(yè)碩士)。

針對不同類型的招生，應(yīng)采取不同的培養(yǎng)模式，博士以理論創(chuàng)新為主進行培養(yǎng);碩士生突出專業(yè)知識和動手能力培養(yǎng);專業(yè)型非全日制突出理論結(jié)合實踐、解決企業(yè)工程實際問題為主的應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

(2)錄取綜合考評模式

研究生招生嚴(yán)格按照國家有關(guān)規(guī)定進行，強化復(fù)試環(huán)節(jié)，以選拔優(yōu)秀生源。復(fù)試環(huán)節(jié)包括綜合筆試、綜合面試，復(fù)試成績與初始成績各按一定權(quán)重累計，擇優(yōu)錄取。

(3)科學(xué)合理的課程體系

課程體系的設(shè)置強化學(xué)科基礎(chǔ)知識，同時體現(xiàn)學(xué)科發(fā)展，增加二級學(xué)科專業(yè)方向課程，滿足科研需要。

(4)靈活多樣的課程教學(xué)模式

課程教學(xué)包括理論課教學(xué)和實驗實踐課教學(xué)，強化實踐環(huán)節(jié);理論課教學(xué)采取講授與課堂討論相結(jié)合的方式進行，課堂教學(xué)采用多媒體方式;試驗實踐采取實驗室進行和企業(yè)現(xiàn)場實踐相結(jié)合的方式。

(5)以產(chǎn)學(xué)研為主的課程實踐模式

開展多層次的實踐模式［4-5］，課程學(xué)習(xí)期間，在實驗室進行實踐，培養(yǎng)動手能力;多門課支撐一個miniPrj項目到企業(yè)實習(xí)或在多個實驗室共同完成;進入課題階段，鼓勵研究生到企業(yè)去做課題，可以結(jié)合企業(yè)實際需求，也可以在企業(yè)推廣原創(chuàng)技術(shù)與方案。

(6)以創(chuàng)新成果為引導(dǎo)的科研能力培養(yǎng)模式

設(shè)立了研究生創(chuàng)新基金、制定了創(chuàng)新基金管理辦法，資助具有創(chuàng)新思想的研究生進行課題研究;二三年級參加優(yōu)秀研究生或研究生獎學(xué)金評選，調(diào)動研究生的創(chuàng)新積極性、鼓勵研究生進行科技創(chuàng)新，并且畢業(yè)之前必須發(fā)表有創(chuàng)新性的學(xué)術(shù)論文。

定期舉辦研究生學(xué)術(shù)交流會和創(chuàng)新論壇，激發(fā)研究生思維思路，活躍研究生創(chuàng)新學(xué)術(shù)風(fēng)氣。

(7)優(yōu)勝劣汰的評優(yōu)與淘汰機制

制定了研究生優(yōu)勝劣汰的評優(yōu)管理辦法、淘汰暫行管理條例，引導(dǎo)研究生開展創(chuàng)新活動、參加全國研究生創(chuàng)新競賽。淘汰機制的建立，使研究生有了緊迫感，促使其積極主動。

2 實踐環(huán)節(jié)的類別

實踐內(nèi)容的安排、選擇及合理分配對實踐教學(xué)是非常重要的。根據(jù)機械工程學(xué)科的培養(yǎng)要求和社會需求，結(jié)合不同研究方向，有選擇地開展實踐教學(xué)內(nèi)容。

機械工程研究生實踐環(huán)節(jié)，根據(jù)實踐的性質(zhì)可分為驗證實驗、綜合實驗和實踐探索三大類 (三個層次):

驗證實驗是以理論課學(xué)習(xí)為引導(dǎo)，驗證理論知識的實踐活動，其目的是通過實踐環(huán)節(jié)來驗證理論知識。培養(yǎng)研究生的動手實驗技能，通過實驗操作規(guī)程和方法的訓(xùn)練，提高研究生動手實踐的能力，為下一步獨立開展論文研究打下堅實的基礎(chǔ)。

綜合實驗是在導(dǎo)師指導(dǎo)下，由研究生自主設(shè)計實驗方案、實驗步驟，綜合應(yīng)用多個知識模塊，進行的集成創(chuàng)新實驗，主要培養(yǎng)研究生綜合分析和解決問題的能力。這類實驗要求研究生結(jié)合理論課的學(xué)習(xí)、查閱大量資料，并在掌握有關(guān)設(shè)備儀器操作技能的基礎(chǔ)上，開展實踐。這類實驗既能培養(yǎng)研究生的思考和思維能力，又能鍛煉其邏輯思考、嚴(yán)謹(jǐn)推理能力，是培養(yǎng)研究生創(chuàng)新和創(chuàng)造能力的有效環(huán)節(jié)，也可以培養(yǎng)研究生的創(chuàng)新意識、調(diào)動研究生的創(chuàng)新興趣。通過綜合實驗方案設(shè)計、步驟規(guī)劃、具體實施、分析實驗結(jié)果等工作，促進研究生科研創(chuàng)新能力的提高。

實踐探索要求研究生參與到導(dǎo)師的實際科研項目，導(dǎo)師把一個項目分解成若干個小項目，以mini-Prj(小項目)的形式，讓研究生獨立完成一個或多個miniPrj。通過上述2個實踐環(huán)節(jié)，研究生具備了完成miniPrj的能力。研究生參與到導(dǎo)師科研團隊，在團隊里協(xié)同實踐，利用科研實驗室的儀器設(shè)備、完成實際科研課題的部分任務(wù)，培養(yǎng)研究生的實戰(zhàn)能力，使研究生很好地掌握學(xué)科的理論、技術(shù)與方法，實現(xiàn)了依托團隊科研條件、培養(yǎng)培養(yǎng)創(chuàng)新能力的目的，為研究生到工作單位任職打下堅實的基礎(chǔ)。

3 實踐環(huán)節(jié)實例:反求設(shè)計實驗

反求設(shè)計是一種現(xiàn)代設(shè)計方法［6］，有利于培養(yǎng)研究生的產(chǎn)品設(shè)計創(chuàng)新能力，反求設(shè)計通常包括以下步驟:數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，模型重構(gòu)，改進創(chuàng)新。

(1)數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集可用接觸式 (如三坐標(biāo)測量機)或非接觸式 (如激光測量)測量，實驗室已裝備了3種測量系統(tǒng)，如圖2所示。其中，前兩種 (圖 (a)，(b))屬于接觸式、后一種 (圖 (c))屬于非接觸式。接觸式測量系統(tǒng)對物體的表面顏色、光照強度沒有要求，實體邊界的測量比較精確，缺點是速度較慢、對軟質(zhì)材料適應(yīng)差，而且測點分布可能不理想。非接觸式測量速度高，但是測量精度較低、對表面顏色和光照強度有要求。

圖2 數(shù)字化測量系統(tǒng)

測量數(shù)據(jù)可以按照指定格式輸出為點云數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)格式可以是STL、IGES、OBJ、DXF等。

(2)數(shù)據(jù)處理

數(shù)字化測量系統(tǒng)獲得的點云數(shù)據(jù)非常大，也有許多多余雜點、噪聲數(shù)據(jù)，且存在網(wǎng)格面片不光滑、三角面片不均勻等問題，通常需導(dǎo)入專用反求設(shè)計軟件(如 Imageware、Geomagic、CopyCAD、Quick Shape、SurfaceStudio等)或數(shù)字化測量系統(tǒng)自帶的軟件中進行點云數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)優(yōu)化處理，進行多余雜點的刪除、噪聲數(shù)據(jù)的剔除、點云數(shù)據(jù)的精簡、點云數(shù)據(jù)的三角網(wǎng)格化、網(wǎng)格面的修復(fù)及平滑處理、邊界三角網(wǎng)格的修整等工作。

(3)曲面重構(gòu)

曲面重構(gòu)是依據(jù)掃描得到的點云數(shù)據(jù)、重建曲面形狀、得到CAD模型的過程。可用反求設(shè)計專用軟件或商品化 CAD/CAM/CAE軟件 (如 Pro/E、UG/NX等)來完成。CAD模型重構(gòu)的步驟有:①根據(jù)曲面的幾何特征、對點云數(shù)據(jù)進行分割，形成不同的點云曲面片;②對每個點云曲面片進行擬合，形成光順的曲面片;③對光順曲面片進行過渡、求交、裁剪等處理，將這些光順曲面片縫合在一起、形成一個整體。

曲面重構(gòu)方法分為曲線曲面解析法、自由曲面擬合法兩大類。

曲線曲面解析法:首先根據(jù)幾何特征和測量點插值、擬合曲面的樣條曲線，再通過掃掠、蒙皮、放樣等造型功能進行構(gòu)形，最后通過求交、延伸、過渡、裁減等功能、將每個曲面片縫合為一個整體。這種方法常用B-Spline或NURBS曲面、三角Bezier曲面、多面體表示的曲面等來描述曲面模型。

自由曲面擬合法:對數(shù)據(jù)點云進行直接插值、擬合出自由曲面。

圖3是研究生實驗的一個具體案例。

圖3 反求設(shè)計實驗案例

4 結(jié)論

創(chuàng)新能力是研究生培養(yǎng)的目標(biāo)和要求，社會的進步和發(fā)展也要求具備一定的創(chuàng)新能力以及獨立從事科研工作的能力。通過實驗環(huán)節(jié)可以培養(yǎng)研究生的綜合創(chuàng)新能力:(1)綜合應(yīng)用所學(xué)理論知識、培養(yǎng)研究生進行方案設(shè)計的能力，鍛煉獨立承擔(dān)科研項目的規(guī)劃能力;(2)根據(jù)實驗方案，明確實驗過程的關(guān)鍵技術(shù)，掌握有關(guān)技術(shù)，培養(yǎng)研究生解決實際問題的能力;(3)通過撰寫實驗報告，培養(yǎng)研究生的科技論文寫作能力。

［1］呂洪艷，劉賢梅，李薈.校企合作研究生培養(yǎng)模式研究［J］.蘭州教育學(xué)院學(xué)報，2013，29(5):116-117，120.

［2］劉豐年，李長云，朱文球，等.碩士研究生課程“雙軌制”的培養(yǎng)模式研究［J］.大學(xué)教育，2013(8):9-10.

［3］劉宇賢.對我國當(dāng)下研究生培養(yǎng)模式的反思與研究［J］.教育與教學(xué)研究，2011，25(6):68-70，77.

［4］劉豐年，李長云，朱文球，等.校企聯(lián)合的專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)模式研究［J］.當(dāng)代教育科學(xué)，2013(7):60-62.

［5］劉華奇，劉彬，劉浩然，等.基于綜合實踐平臺的研究生培養(yǎng)模式探索［J］.研究生教育研究，2012(6):33-35，51.

［6］陳敏，劉曉敘，蔣勝，等.發(fā)動機氣缸蓋氣道的反求設(shè)計研究［J］.小型內(nèi)燃機與摩托，2012，41(5):60-62.