大學生機械創(chuàng)新設(shè)計指導案例與分析

羅玉軍

（廣西科技大學 機械工程學院，廣西 柳州 545006）

1 引言

機械創(chuàng)新設(shè)計能力是機械類專業(yè)學生專業(yè)綜合素質(zhì)的體現(xiàn)，是高等工程技術(shù)人才培養(yǎng)的目標之一.隨著對創(chuàng)新能力重視程度的提高和各類學科競賽的蓬勃開展，越來越多的大學生參與到機械創(chuàng)新設(shè)計活動之中.然而，以學科競賽為導向的機械創(chuàng)新設(shè)計，使學生的目標過份傾向于作品成果本身，而沒有從中有意識地學習到創(chuàng)新的思維和系統(tǒng)的工作方法.如何培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力是我國當今高等教育研究的重要課題[1,2]，專門針對大學生學科競賽指導的研究也是一個重要內(nèi)容[3].雖然機械類專業(yè)系列課程都強調(diào)機械創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，但多數(shù)學生實際上是從參加學科競賽開始接觸機械創(chuàng)新設(shè)計的.盡管許多學生在各類學科競賽中獲獎，但是最后卻依然沒有養(yǎng)成系統(tǒng)的工程素質(zhì)，更不用說較強的創(chuàng)新能力.本文總結(jié)了在指導大學生機械創(chuàng)新設(shè)計活動中獲得的經(jīng)驗教訓，對大學生機械創(chuàng)新設(shè)計的行為特點進行了分析和歸納，提出相應的指導策略，目的是讓機械創(chuàng)新設(shè)計活動能夠充分發(fā)揮其培養(yǎng)創(chuàng)新能力的作用.

2 大學生機械創(chuàng)新設(shè)計活動存在的問題

目前我國絕大多數(shù)高校并沒有開設(shè)專門的機械創(chuàng)新設(shè)計的教學環(huán)節(jié)，學生的機械創(chuàng)新設(shè)計活動相當于課外科技興趣小組行為，通常是圍繞競賽主題進行某一機械作品的設(shè)計制作，以參賽獲獎為目標所進行的一種暫時性的活動.在這樣的背景之下，很多學生的創(chuàng)新項目具有自發(fā)性特征，缺乏科學嚴密性和規(guī)范性.在指導大學生機械創(chuàng)新設(shè)計過程中，發(fā)現(xiàn)存在下述比較突出的問題：

2.1 選題的科學性不強

學生自己擬定機械創(chuàng)新課題時通常只注意作品的功能性，容易出現(xiàn)兩個極端：一是基于樸素的常識而缺乏學術(shù)內(nèi)涵，如很多學生把著眼點放在自行車、健身器材等司空見慣的產(chǎn)品上——第五屆全國大學生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽期間，在校內(nèi)評選準備參賽的作品時發(fā)現(xiàn)，24件參選作品中涉及自行車的有8件，其中6件以折疊功能為創(chuàng)新點；涉及健身器材的4件，均以多功能為創(chuàng)新點，實質(zhì)上只是把現(xiàn)有的健身器材簡單的組合在一起；這些作品由于不能在產(chǎn)品的工作原理和主要功能方面做出明顯的改進，因此不能算是一個合適的創(chuàng)新課題，大多數(shù)在評審中被淘汰了.二是僅憑在傳媒中撲捉到的某些科技信息，動輒納米航天，超越自己的能力甚至目前的科技水平，提出一些技術(shù)上難以實現(xiàn)的構(gòu)思，最后也只能草草收場.

2.2 開發(fā)過程不規(guī)范

機械產(chǎn)品的開發(fā)過程要經(jīng)歷概念開發(fā)和產(chǎn)品規(guī)劃、詳細設(shè)計、樣機制作、批量生產(chǎn)等階段，設(shè)計階段還包括方案設(shè)計和技術(shù)設(shè)計.由于沒有經(jīng)過系統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)訓練，學生在設(shè)計自己的機械創(chuàng)新作品時，很難嚴格遵循上述規(guī)范，缺少產(chǎn)品的規(guī)劃和定位，開發(fā)過程中走一步看一步，不能區(qū)分方案設(shè)計和技術(shù)設(shè)計的作用，更不能按照階段任務去執(zhí)行；沒有階段性目標和完整的技術(shù)文件；容易把目光聚集在某些主要功能上，把這些功能的實現(xiàn)過程當成整個產(chǎn)品的開發(fā)過程，忽略整機功能和系統(tǒng)的協(xié)調(diào).

2.3 計算分析能力不強

據(jù)調(diào)查，專業(yè)知識欠缺是學生完成機械創(chuàng)新的最大障礙[4].由于專業(yè)知識不足導致不知道如何開始設(shè)計，或是了解設(shè)計步驟但不會運用設(shè)計理論來解決設(shè)計中遇到的問題，是學生在創(chuàng)新設(shè)計過程中遇到的最大技術(shù)難題.在上述評選作品中，幾乎沒有看到一份完整的設(shè)計計算說明書，很多設(shè)計甚至沒有機構(gòu)運動簡圖；尺度綜合、運動學和動力學分析均存在錯誤，有的作品沒有考慮連桿機構(gòu)運動循環(huán)中的死點，有的甚至不能在靜止狀態(tài)下保持平衡.相對而言，學生針對齒輪、軸、軸承等通用機構(gòu)和零件所進行的設(shè)計計算完成得較好，而對于那些超越課堂學習范圍的專業(yè)機械以及動力學問題的分析計算則力不從心.

3 大學生機械創(chuàng)新設(shè)計活動的指導策略

顧名思義，在大學生機械創(chuàng)新設(shè)計活動中，指導教師的作用是“導”和“教”——“導”意味著教師不應參與具體的技術(shù)工作，而是恰當?shù)囊龑W生自己完成創(chuàng)新設(shè)計；“教”即把創(chuàng)新設(shè)計當作一個教學過程，為人才培養(yǎng)目標服務.有的國內(nèi)專家建議安排一定的創(chuàng)新設(shè)計課程學時，分配到《機械原理》和《機械設(shè)計》等相關(guān)課程當中[5].因此，無論是從傳授理論知識還是培養(yǎng)專業(yè)技能的角度，都應當把指導大學生機械創(chuàng)新設(shè)計當作一次教學活動，按照教學規(guī)范來實施.

3.1 做好教學規(guī)劃

指導教師應根據(jù)創(chuàng)新設(shè)計的主題，制定相應的教學目的、教學內(nèi)容、教學方法，引導學生自主學習相關(guān)的專業(yè)知識，學習必要的分析計算技能，完成一定的工程訓練，讓學生的工程素質(zhì)得到全面提升.

3.2 引導學生正確選題

引導學生圍繞創(chuàng)新設(shè)計主題開展調(diào)研，幫助學生發(fā)現(xiàn)和提出科學問題，結(jié)合學生自身的興趣和知識水平擬定合適的創(chuàng)新設(shè)計題目.

3.3 規(guī)范學生設(shè)計過程

以項目的形式要求學生按照技術(shù)規(guī)范做好創(chuàng)新設(shè)計規(guī)劃，提出項目實施的技術(shù)路線，合理安排項目進度.指導教師做好技術(shù)審查、進度監(jiān)督工作.

3.4 指導學生分析計算

分析計算能力是專業(yè)知識的核心內(nèi)容.對于剛剛進入專業(yè)理論學習階段的大學生來說，要求他們具備很強的分析計算能力是不切實際的.因此指導教師要根據(jù)設(shè)計內(nèi)容，明確提出關(guān)鍵零部件的設(shè)計計算和校核計算項目，指導學生學習相應的計算理論和方法步驟，完成項目設(shè)計中的分析計算工作.

需要指出的是：學生容易把作品的完成當作創(chuàng)新活動的終點，這不利于充分發(fā)揮創(chuàng)新設(shè)計活動在人才培養(yǎng)方面的作用.因此指導教師應與學生一起做好項目的總結(jié)歸納工作.一方面，歸納項目創(chuàng)新點和價值，形成技術(shù)成果，讓學生在創(chuàng)新設(shè)計活動獲得實際利益；另一方面，總結(jié)工作有助于幫助學生學習體會工作方法，形成工程能力.

4 機械創(chuàng)新設(shè)計活動指導案例與分析

第五屆全國大學生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽內(nèi)容為“休閑娛樂機械和家庭用機械的設(shè)計和制作”.自行車作為最常見的機械產(chǎn)品，以其為基礎(chǔ)的改造設(shè)計自然成為了很多準備參賽學生的首選題目.在這些學生自發(fā)擬定的題目中，以折疊和變形為創(chuàng)新點的占絕大多數(shù)，與市場上已經(jīng)存在的產(chǎn)品功能重疊，實現(xiàn)方案基本雷同，因此都不適合作為創(chuàng)新設(shè)計題目.針對這個現(xiàn)象，指導老師與學生一起分析了自行車的功能與大賽的主題，以及可能的創(chuàng)新思路.有一組學生依據(jù)“仿生法”[6]提出了一種“模擬騎馬運動的娛樂型自行車”的作品構(gòu)思，獲得了指導教師的肯定.

評選出學生創(chuàng)新設(shè)計題目之后，指導教師根據(jù)創(chuàng)新設(shè)計內(nèi)容擬定了相應的指導教學方案（表1）.

該方案中，指導教師幫助學生按照工程項目的形式制定了設(shè)計任務書，包括明確設(shè)計目標、技術(shù)參數(shù)、設(shè)計內(nèi)容、技術(shù)路線、關(guān)鍵問題、進度安排等內(nèi)容的修訂，讓學生學會了如何開始和規(guī)劃一個研究課題.

在設(shè)計階段，要求學生按照方案設(shè)計——技術(shù)設(shè)計的循序，設(shè)計組成員合理分工協(xié)作，分階段完成相應的任務，按照預定的時間節(jié)點定時匯總更新設(shè)計成果，明確下一階段目標.

表1 大學生機械創(chuàng)新設(shè)計指導教學方案

在創(chuàng)新設(shè)計期間，指導教師不直接參與具體的技術(shù)工作，只是起到了引導思考和質(zhì)量把關(guān)兩個方面的作用，讓學生通過查閱資料和分析評價，自己完成項目的設(shè)計和計算工作.學生面對“模擬騎馬運動的自行車”這個課題，一開始并不知道從哪里開始入手.指導老師把設(shè)計內(nèi)容分解為一個個具體的問題，首先讓學生觀察和分析騎馬時人體的動作要點——身體的起伏、腿和手臂的屈伸、動作的協(xié)調(diào)關(guān)系等；然后考慮這些動作應該如何分解？采用哪種機構(gòu)實現(xiàn)這些分解動作？以及機構(gòu)的時序和協(xié)調(diào)，人機工程學等方面的問題.學生通過解決這些問題，提出和多個解決方案.指導教師再利用對各方案的技術(shù)經(jīng)濟評價，讓學生自己選出了方案設(shè)計的最終結(jié)果.

“模擬騎馬運動的娛樂型自行車”參加了第五屆全國大學生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽并在賽區(qū)獲獎，還獲得國家專利局授予的實用新型專利.參加本項目的學生后來繼續(xù)開展科學研究，獲得了學校大學生科技項目和廣西大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃項目的資助.

5 結(jié)語

由于大學生參加機械創(chuàng)新設(shè)計活動多是被各種科技競賽活動所吸引，因此在指導大學生機械創(chuàng)新設(shè)計活動時，在指導思想上除了看到這些競賽活動對機械創(chuàng)新教育的積極促進作用的同時，也要清楚地意識到學生參加機械創(chuàng)新設(shè)計活動的功利性.功利性目標使得一些學生甚至指導教師只看重結(jié)果不重過程，從而大大削弱創(chuàng)新設(shè)計的人才培養(yǎng)作用.這對這種現(xiàn)象，本文分析了大學生機械創(chuàng)新設(shè)計活動中容易出現(xiàn)的失誤和不足，從人才培養(yǎng)的角度提出了相應的指導策略，希望能為提高機械專業(yè)大學生的工程能力有所幫助.

〔1〕黃小龍.大學生機械創(chuàng)新設(shè)計能力培養(yǎng)的探索[J].中國電力教育,2010(6).

〔2〕黃長征.機電類本科生機電液一體化系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計能力培養(yǎng)與實踐 [J].教育教學論壇,2013(35).

〔3〕任愛華,孫傳瓊.大學生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽指導初探[J].中國電力教育,2011(6).

〔4〕王勝曼，張建華，孫曉燕.影響大學生機械創(chuàng)新能力的調(diào)查分析[J].人力資源管理,2010(6).

〔5〕高中庸.大學生機械創(chuàng)新設(shè)計方法與實踐[M].北京:兵器工業(yè)出版社,2014.

〔6〕張春林.機械創(chuàng)新設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社,2007.