反求設(shè)計能力培養(yǎng)及其評價體系的研究與實踐

阮春紅，黃其柏，劉世平，田文峰，朱 洲

（華中科技大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，湖北 武漢 430074）

“世界技能組織”（WorldSkills International）于1950年成立，總部設(shè)在荷蘭阿姆斯特丹，現(xiàn)有63個國家和地區(qū)成員，每2年舉辦一次世界技能大賽（世界技能大賽始于1947年的西班牙，目前涉及40多個工種）。

國家人力資源和社會保障部兩次牽頭組織我國選手參加2011年英國倫敦第41屆世界技能大賽和2013年德國萊比錫第42屆世界技能大賽的部分項目，目前正在備戰(zhàn)2015年巴西圣保羅第43屆世界技能大賽。我國參賽的項目包括機(jī)械工程設(shè)計－CAD項目，該項目包含4個模塊：機(jī)械裝配圖和零件圖、機(jī)械制造、挑戰(zhàn)機(jī)械加工設(shè)計、基于物理模型的逆向工程設(shè)計（逆向工程設(shè)計也就是反求設(shè)計）。機(jī)械工程設(shè)計－CAD項目要求選手具有堅實的機(jī)械工程基礎(chǔ)知識、靈敏的整機(jī)裝配意識、極強(qiáng)的設(shè)計應(yīng)變能力和高超的軟件應(yīng)用技能。這反映了各國對機(jī)械工程設(shè)計人才技能的目標(biāo)需求：是具有工程意識的、掌握現(xiàn)代設(shè)計和制造方法的創(chuàng)新型人才。

針對這一需求，設(shè)計通過對部件實物的反求設(shè)計（機(jī)器測繪技術(shù)是工程師正式入門產(chǎn)品設(shè)計的第一個臺階，又稱為反求設(shè)計法）來培養(yǎng)學(xué)生的工程意識，培養(yǎng)學(xué)生掌握現(xiàn)代設(shè)計方法的應(yīng)用能力；通過比較同類產(chǎn)品改進(jìn)被反求的部件實物，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。實施過程中注重設(shè)計圖紙的質(zhì)量（包括精度和精度的可加工性）以及設(shè)計表達(dá)及模擬的真實性，更注重在學(xué)生學(xué)習(xí)設(shè)計和表達(dá)的過程中來評價學(xué)生的反求設(shè)計能力，培養(yǎng)學(xué)生成為“中國創(chuàng)造”的CAD高技能創(chuàng)新型人才。

1 反求設(shè)計的目的與意義

反求設(shè)計就是對已有的產(chǎn)品進(jìn)行分析和測繪，研究其功能原理、零部件的詳細(xì)結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料、關(guān)鍵技術(shù)等指標(biāo)，再根據(jù)現(xiàn)代設(shè)計和制造的理論與方法進(jìn)行工程設(shè)計。工程設(shè)計可劃分為創(chuàng)新設(shè)計、適應(yīng)性設(shè)計和變型設(shè)計3種類型［1］。適應(yīng)性設(shè)計、變型設(shè)計又統(tǒng)稱改進(jìn)設(shè)計，是創(chuàng)新設(shè)計的起點。

反求設(shè)計的研究目的是加強(qiáng)、鞏固、深化、擴(kuò)展課堂教學(xué)的理論知識，培養(yǎng)學(xué)生實踐動手能力及操作能力，進(jìn)一步提高學(xué)生分析問題和解決問題的水平，為培養(yǎng)具有工程意識的、掌握現(xiàn)代設(shè)計方法的創(chuàng)新型人才奠定基礎(chǔ)。

模仿設(shè)計是最省力的獲取經(jīng)驗的方法。反求設(shè)計（特別是改進(jìn)設(shè)計）可以學(xué)習(xí)他人的經(jīng)驗，總結(jié)他人的不足，可以為創(chuàng)新設(shè)計提供參考和依據(jù)。反求設(shè)計是現(xiàn)代化工業(yè)設(shè)計的重要手段［2］，是一個國家發(fā)展科學(xué)技術(shù)及提高工藝水平的重要途徑之一。

反求設(shè)計是工程制圖教學(xué)中的一個重要環(huán)節(jié)，是我國高校機(jī)械類和近機(jī)類專業(yè)普遍開設(shè)的一門重要實踐課程。

2 反求設(shè)計的實施

2.1 學(xué)情分析

反求設(shè)計是我校工程制圖課中的實驗內(nèi)容，主要對象是機(jī)械類和近機(jī)械類專業(yè)的大學(xué)一年級新生。這些新生對新知識、新技能有強(qiáng)烈的好奇心。他們形象思維比較發(fā)達(dá)，具有較強(qiáng)的參與意識和創(chuàng)新意識，喜歡動手實踐，但普遍動手能力、工程設(shè)計能力不強(qiáng)，面對實際問題無從下手，很困惑。學(xué)生在具有創(chuàng)新意識卻無法通過合適的途徑來嘗試創(chuàng)新設(shè)計實踐的情況下，不但達(dá)不到學(xué)生培養(yǎng)創(chuàng)新精神的目的，反而會抑制學(xué)生的創(chuàng)新意識［3］。為了保護(hù)和激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識，精心選擇反求設(shè)計題目尤為重要，并對實踐過程進(jìn)行教學(xué)設(shè)計。

2.2 精心選擇反求設(shè)計題目進(jìn)行實施

教學(xué)設(shè)計是教師對教學(xué)如何實施的設(shè)計方案，包括學(xué)習(xí)內(nèi)容、材料準(zhǔn)備、教學(xué)過程等［3］。我校大機(jī)械類工程制圖課程含2次8學(xué)時的測繪實驗，分別是零件測繪實驗、部件拆裝與改進(jìn)實驗［3］，其中部件拆裝與改進(jìn)實驗中的裝配體就是教師盡心設(shè)計的。

2.2.1 反求設(shè)計裝配體的準(zhǔn)備

部件拆裝與改進(jìn)實驗中的裝配體是教師設(shè)計的，設(shè)計的齒輪泵中還包含兩種螺釘，其中內(nèi)六角螺釘共12顆，分別連接中間泵體與左、右泵蓋，起連接作用；另一種是啟蓋螺釘，僅4顆，分別裝在左、右泵蓋上，起打開泵蓋的作用，如圖1所示。設(shè)計的齒輪泵中包含兩種銷，圓柱銷1連接中間泵體與左、右泵蓋，主要起定位作用，圓柱銷2連接齒輪與軸，起傳遞力和力矩的作用，如圖2所示。

該齒輪泵包含：鍵連接、銷鏈接、螺紋緊固件連接，圖2主要表示中間泵體與左、右泵蓋的定位銷連接，主動齒輪與軸之間的銷鏈接，而皮帶輪與軸之間用鍵連接以及中間泵體與左、右泵蓋的螺釘連接均略去了。

圖1 齒輪泵外觀圖

圖2 齒輪泵改進(jìn)前局部裝配圖

2.2.2 學(xué)習(xí)內(nèi)容

通過教師設(shè)計的裝配體，學(xué)生學(xué)習(xí)了零件與部件的關(guān)系、零件間的連接與固定方式、零件測繪等傳統(tǒng)知識，容易理解零件在部件中的作用、相同的零件可以發(fā)揮不同的作用等抽象知識，更重要的是要引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，并運用反求設(shè)計手段解決問題，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計能力和動手實踐能力。

2.2.3 教學(xué)過程

反求設(shè)計中要緊緊抓住兩件事。一是在剖析原產(chǎn)品或技術(shù)中的“求”，二是在“再設(shè)計”中的“改”或“創(chuàng)”［4］。

由于學(xué)時較少，第二次測繪開始時，給學(xué)生提出思考題：齒輪泵部件中各零件間如何連接與固定，兩種螺釘、兩種銷的作用是什么，左、右泵蓋與中間泵體為什么難拆開等。學(xué)生帶著問題進(jìn)行拆卸齒輪泵，剖析原產(chǎn)品，在齒輪泵中“求”，在此過程中引導(dǎo)學(xué)生注意觀察零件之間的裝拆順序、零件之間的連接與固定方式等，可以邊拆邊畫裝配示意圖，學(xué)生之間加強(qiáng)合作，有學(xué)生拆部件，有學(xué)生畫裝配示意圖。

在拆卸過程中，學(xué)生很快發(fā)現(xiàn)了問題——圖1中的圓柱銷1很難拆下來，圓柱銷1彎曲了（教師有意設(shè)計的）。

趁機(jī)提出改進(jìn)設(shè)計的題目：針對圓柱銷彎曲變形的情況，如何改進(jìn)設(shè)計或“再設(shè)計”？——要求保留部件的功能和大部分零件（教師給出零件圖和零件三維模型）。提出本次測繪的要求，闡述反求設(shè)計的理論依據(jù)——用局部裝配圖表達(dá)；設(shè)計出改進(jìn)后的主要零件的零件圖，并創(chuàng)建在位零部件三維模型［5］，與教師給定的其余零件三維模型組裝成裝配體，不僅提高了設(shè)計效率，也可以驗證自己的設(shè)計的合理性。

大部分學(xué)生提出：減短圓柱銷，將右泵蓋與中間泵體重新設(shè)計成一個零件，如圖3所示的右泵體，這又帶來新的問題：銷孔變成了不通孔，如何拆卸圓柱銷？

介紹拔銷器［6］，如圖4所示。將GB/T119.2圓柱銷改為GB/T120.2內(nèi)螺紋圓柱銷即可［7］?？梢钥闯觯糊X輪泵的拆裝與改進(jìn)實驗就是教師盡心設(shè)計的。

3 建立反求設(shè)計評價體系

反求設(shè)計能力培養(yǎng)是實踐性環(huán)節(jié)，在此過程中，重在培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和運用知識能力，培養(yǎng)學(xué)生由被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)為主動學(xué)習(xí)，養(yǎng)成良好的工程意識和創(chuàng)新意識。建立由教師單一評價轉(zhuǎn)化為教師、學(xué)生共同評價的綜合評價體系。具體見表1。

圖3 齒輪泵改進(jìn)后局部裝配圖

圖4 拔銷器

表1 反求設(shè)計評分標(biāo)準(zhǔn)［8－12］

實驗分小組進(jìn)行，每組6人，同組學(xué)生根據(jù)評分標(biāo)準(zhǔn)，交叉進(jìn)行批改評分。同時在實驗課堂，每位學(xué)生可以得到一張便簽貼，一面簽自己的姓名，一面自己寫課堂表現(xiàn)：提了什么問題與師生探討？回答了同伴的什么問題？教師根據(jù)收上來的情況給予附加分，極大地調(diào)動了學(xué)生的參與度。

4 結(jié)束語

反求設(shè)計題目——齒輪泵的拆裝與改進(jìn)實驗難度適中，與世界技能大賽機(jī)械工程設(shè)計——CAD項目的部分要求不謀而合，能引導(dǎo)學(xué)生全面理解創(chuàng)新的含義，消除了創(chuàng)新的神秘感。創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是要逐漸積累的，不是所有的設(shè)計都要重新開始，一點點的改進(jìn)就是創(chuàng)新，甚至就是重大革新。反求設(shè)計者需要具備較高的理論素養(yǎng)和較豐富的實際經(jīng)驗［10］，因此在進(jìn)行教學(xué)設(shè)計時要注重理論聯(lián)系實踐。

在工程制圖課程中設(shè)計反求設(shè)計實驗，這一舉措在我校實施了多年，充分發(fā)揮了學(xué)生的主體作用，讓學(xué)生在實踐操作中去理解知識、發(fā)展能力，在實踐中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識。反求設(shè)計實驗是我校國家級精品資源共享課“畫法幾何及機(jī)械制圖”的特色之一。

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［1］周勇.充分運用反求設(shè)計手段著重培養(yǎng)創(chuàng)新設(shè)計能力［J］.實驗技術(shù)與管理，2002，19（5）：5－7.

［2］吳華杰，杜玉明，國永紅.實物反求設(shè)計中尺寸精度的控制［J］.機(jī)械設(shè)計，2001（2）：15－17.

［3］阮春紅，黃其柏，劉世平，等.實踐教學(xué)設(shè)計，提高教學(xué)質(zhì)量［J］.圖學(xué)學(xué)報，2013（增刊）：184－186.

［4］侯維芝，祁翠琴.反求設(shè)計與創(chuàng)新技術(shù)［J］.機(jī)電一體化，2004（3）：11－14.

［5］許睦旬，鄭鎂，肖堯。Inventor 2009三維機(jī)械設(shè)計應(yīng)用基礎(chǔ)［M］.北京：高等教育出版社，2009.

［6］阮春紅，何建英，李喜秋，等.三維機(jī)械構(gòu)形設(shè)計：工程制圖提高篇［M］.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2008.

［7］GB/T 120.2—2000內(nèi)螺紋圓柱銷［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出 版社，2000.

［8］方亦元，王炳德.機(jī)械設(shè)備測繪基礎(chǔ)［M］.沈陽：東北大學(xué)出版社，2008.

［9］李智勇，謝玉蓮.機(jī)械裝配技術(shù)基礎(chǔ)［M］.北京：科學(xué)出版社，2008.

［10］郭佳萍，于穎，張繼媛.機(jī)械拆裝與測繪［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［11］黃其柏，阮春紅，何建英，等.畫法幾何及機(jī)械制圖［M］.5版.武漢：華中科技大學(xué)出版社，2012.

［12］邢淵.制造領(lǐng)域中反求設(shè)計方法及其應(yīng)用研究［J］.中國機(jī)械工程，2001，12（4）：416－419.