以仿生學(xué)為載體實(shí)踐《機(jī)械原理》課程的創(chuàng)新教育

邵立新，段立霞

（1.河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，鄭州450000；2.安陽(yáng)工學(xué)院，河南安陽(yáng)455000）

“創(chuàng)新是一個(gè)民族進(jìn)步的靈魂，是國(guó)家興旺發(fā)達(dá)的不竭動(dòng)力。”高等教育作為培養(yǎng)高水平創(chuàng)新人才，發(fā)展高科技，提高國(guó)民素質(zhì)的重要陣地，將面臨更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。創(chuàng)新教育，貫徹知識(shí)、能力、素質(zhì)并重的教育思想，加強(qiáng)素質(zhì)教育，培養(yǎng)創(chuàng)新能力，是貫穿整個(gè)高等教育的主線，是一項(xiàng)艱巨的系統(tǒng)工程。

習(xí)近平主席在2014年國(guó)際工程科技大會(huì)上提出：“一項(xiàng)工程科技創(chuàng)新可以改變世界”，強(qiáng)調(diào)工程科技是改變世界的重要力量，發(fā)展科學(xué)技術(shù)是人類應(yīng)對(duì)全球挑戰(zhàn)、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。為適應(yīng)人才培養(yǎng)的需要，高校的創(chuàng)新教育已進(jìn)入了一個(gè)新的階段，從教學(xué)理念、人才培養(yǎng)方案、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和教學(xué)方法等方面進(jìn)行了全面的配套改革。在這樣的大形勢(shì)下，就如何在《機(jī)械原理》課程中有計(jì)劃、有組織、有系統(tǒng)、有重點(diǎn)地傳授知識(shí)，發(fā)揮機(jī)械專業(yè)學(xué)生的主觀能動(dòng)性，培養(yǎng)機(jī)械專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新能力，是《機(jī)械原理》課程教學(xué)改革中的重點(diǎn)與核心，也是機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)人才培養(yǎng)的主要目標(biāo)之一。本文以仿生學(xué)為載體進(jìn)行探討。

生物在自身進(jìn)化及自然選擇的長(zhǎng)期作用下逐漸地形成了獨(dú)特的特性和功能，這些獨(dú)特的特性和功能為人類解決工程技術(shù)問題提供了大量的設(shè)計(jì)原型和許多創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)方法，給我們進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新提供非常重要的啟示?？v觀歷史仿生學(xué)的概念在進(jìn)行著不停地演進(jìn)，由最初的最簡(jiǎn)單的對(duì)生物的機(jī)械的模仿，到達(dá)了用自然設(shè)計(jì)靈感的一個(gè)飛躍式的漸進(jìn)的創(chuàng)新的過程。將通過觀察、分析、研究掌握的自然界生物所具有的各種特殊本領(lǐng)，并模擬、移植到各工程技術(shù)領(lǐng)域中去而形成了我們?nèi)祟惖姆律鷮W(xué)，按照生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)為機(jī)械設(shè)計(jì)提供新的設(shè)計(jì)思想及工作原理，并達(dá)到新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)更加經(jīng)濟(jì)、合理、高效和可靠的目的。通過結(jié)構(gòu)仿生在機(jī)械領(lǐng)域中的典型應(yīng)用，我們可以明了結(jié)構(gòu)仿生在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中的問題，從而解決這些問題達(dá)到我們的科技創(chuàng)新的目的。

1.結(jié)構(gòu)仿生技術(shù)開拓機(jī)械設(shè)計(jì)的創(chuàng)造性思維

1.1 培養(yǎng)機(jī)械專業(yè)學(xué)生創(chuàng)造性思維的能力

創(chuàng)造性思維是一種最高層次的思維活動(dòng)，具有綜合性、跳躍性、新穎性、自覺性、頓悟性等，是創(chuàng)造活動(dòng)的核心，是創(chuàng)造發(fā)明的源泉，是創(chuàng)造原理和創(chuàng)造技法的基礎(chǔ)。創(chuàng)造性思維能保證機(jī)械專業(yè)學(xué)生順利解決問題，能深刻地、高水平地掌握知識(shí)，并能把這些知識(shí)廣泛地運(yùn)用到學(xué)習(xí)新知識(shí)的過程中，使學(xué)習(xí)活動(dòng)順利完成。引導(dǎo)機(jī)械專業(yè)學(xué)生突破思維定式是培養(yǎng)機(jī)械專業(yè)學(xué)生創(chuàng)造性思維最主要的方法之一。就仿生學(xué)對(duì)機(jī)械專業(yè)學(xué)生創(chuàng)造性思維的培養(yǎng)而言，首先我們以撲翼飛行器為例。

昆蟲翹的結(jié)構(gòu)比鳥翼要簡(jiǎn)單得多，但翅膀的超輕質(zhì)、高強(qiáng)度、自適應(yīng)變形等性能非常突出，如蜻蜓翅膀是由非常輕的網(wǎng)狀構(gòu)架的平薄膜材料構(gòu)成，但是卻能產(chǎn)生非凡的動(dòng)力，如由sri國(guó)際研究公司研發(fā)的仿蜻蜓飛行姿態(tài)的撲翼飛機(jī)已經(jīng)試費(fèi)成功，NAsA的噴氣試驗(yàn)室也成功試驗(yàn)了蜂鳥和蜻蜓的自主控制和導(dǎo)航系統(tǒng)；喬治理工院與英國(guó)劍橋大學(xué)、ETS實(shí)驗(yàn)室合作研制的模擬天蛾翅膀結(jié)構(gòu)的撲翼昆蟲機(jī)“ENTOMOPTER”，機(jī)械翅膀能夠像昆蟲一樣飛行，另外，國(guó)際上的撲翼飛行器也取得了一定的進(jìn)展，這些對(duì)昆蟲飛行能力的破譯必然會(huì)推動(dòng)人類對(duì)現(xiàn)有飛行器的改革，這是各國(guó)發(fā)展微型機(jī)械飛行蟲的改革，這是各國(guó)發(fā)展微型飛行蟲技術(shù)加以仿生借鑒的核心，而這種昆蟲飛行功能研究已經(jīng)成為昆蟲仿生領(lǐng)域最重要的方面。

仿生學(xué)發(fā)展為機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供了解決問題的思路與方案。如動(dòng)物身體結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)方式、自由度分配、鉸鏈設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)控制等都是機(jī)器人設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，通過研究生物原型的相關(guān)規(guī)律往往可以找到更好的解決問題的方法。

再次是南航對(duì)壁虎腳掌紋的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，為爬墻機(jī)器人的發(fā)展提供了依據(jù)，動(dòng)物的靈活高效且適應(yīng)能力強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)令設(shè)計(jì)者羨慕不已，許多的仿生設(shè)計(jì)工作也已開展，如仿蟑螂的機(jī)器人以及仿龍蝦的機(jī)器人等，科學(xué)家（ZHAO T.S）等對(duì)海蟹的行走機(jī)構(gòu)、系統(tǒng)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行了研究，科學(xué)家陳殿生從蝗蟲和龜類的翻轉(zhuǎn)研究中得到靈感，設(shè)計(jì)了移動(dòng)彈跳機(jī)器人，在微型機(jī)器人方面，昆蟲為微型機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供了大量的仿生的原型，研制具有昆蟲足樣行走能力的機(jī)器人或蟲樣蠕動(dòng)的微型機(jī)車，可被用于行進(jìn)到崎嶇不平的山路或其他非平坦地帶執(zhí)行特殊任務(wù)，如在汶川的大地震后在墻倒屋塌的廢墟中就有這樣的機(jī)器人在執(zhí)行特殊的任務(wù)。這樣抓住了機(jī)械專業(yè)學(xué)生的好奇心，激發(fā)了學(xué)習(xí)的興趣，也鍛煉了創(chuàng)造性思維。

1.2 培養(yǎng)機(jī)械專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新技能

創(chuàng)新技法是解決創(chuàng)新設(shè)計(jì)的創(chuàng)意藝術(shù)，是人們對(duì)創(chuàng)造性思維和創(chuàng)造理論加以具體化應(yīng)用的技巧，創(chuàng)新技能是反映創(chuàng)新主體行為技巧的動(dòng)作能力，包括創(chuàng)新主體的信息加工能力、動(dòng)手能力或操作能力及熟練掌握和運(yùn)用創(chuàng)新技法的能力、創(chuàng)新成果的表達(dá)能力和表現(xiàn)能力及物化能力等。機(jī)械專業(yè)學(xué)生從機(jī)械原理才開始真正的接觸機(jī)械，一般不具有豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)新機(jī)構(gòu)往往不知如何下手，在講課過程中穿插機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)技法，幫助他們構(gòu)思和設(shè)計(jì)新機(jī)構(gòu)，為培養(yǎng)機(jī)械專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新技能打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

聯(lián)想、類比在課堂講授中是最常用的創(chuàng)新技法。機(jī)械原理中機(jī)構(gòu)的倒置可以形成新的機(jī)械。例如，就仿生學(xué)的仿生減阻，主要包括土壤減阻、空氣減阻和水流減阻等。吉林大學(xué)通過研究典型土壤動(dòng)物蜣螂、黃鼠的體表面，形成了比較完善的生物脫附與機(jī)械仿生研究理論體系，基于土壤動(dòng)物體表非光滑結(jié)構(gòu)的仿生，非光滑結(jié)構(gòu)已經(jīng)被證實(shí)具有良好的防粘、減阻性能。“發(fā)現(xiàn)鯊魚表皮齒狀突起能保持水流的流態(tài)，可以有效地減少表面的摩擦阻力和壓差阻力，基于鯊魚皮的減阻表面結(jié)構(gòu)，已經(jīng)完成飛機(jī)模擬試驗(yàn)，牽客320客機(jī)的機(jī)身和機(jī)翼表面增加仿鯊魚皮結(jié)構(gòu)后，降低了6%的空氣阻力。基于仿生學(xué)的水上研究推進(jìn)取得了很大發(fā)展，如北航的仿生機(jī)器鰻魚的機(jī)器人以及國(guó)外的許多仿生機(jī)器人都提高了水下的推進(jìn)效率，這對(duì)改進(jìn)潛艇與水上交通工具意義深遠(yuǎn)。

另外就飛行器設(shè)計(jì)而言是結(jié)構(gòu)輕量化。結(jié)構(gòu)輕量化是飛行器設(shè)計(jì)的重要課題，岑海堂借鑒竹竿的細(xì)觀結(jié)構(gòu)和排列方式，仿生設(shè)計(jì)了仿生翼身結(jié)合框，仿生結(jié)構(gòu)與原型相比重量可減輕2.1%。馬建峰等將蜂窩結(jié)構(gòu)應(yīng)用于飛機(jī)機(jī)翼加強(qiáng)框的設(shè)計(jì)中，提高了結(jié)構(gòu)的比強(qiáng)度。此外，在機(jī)床結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)中，趙嶺利用結(jié)構(gòu)仿生方法改進(jìn)了工作臺(tái)和移動(dòng)橫梁筋板結(jié)構(gòu)，在降低質(zhì)量的前提下獲得了更好的動(dòng)靜態(tài)力學(xué)性能。在F.1方程式賽車的變速箱、車架等承力部件以及日本的新干線車廂殼體中都采用了鋁合金、碳纖維等高性能材料的蜂窩結(jié)構(gòu)板來(lái)實(shí)現(xiàn)輕量化，使抗撞擊性能更好。車身結(jié)構(gòu)輕量化是當(dāng)前結(jié)構(gòu)仿生的重要應(yīng)用領(lǐng)域。這樣既可以節(jié)約授課時(shí)間又可以培養(yǎng)機(jī)械專業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新技能。而且這種技能的引導(dǎo)卻可以增強(qiáng)機(jī)械專業(yè)學(xué)生的信心，揭開創(chuàng)新設(shè)計(jì)的神秘面紗，樹立良好的創(chuàng)新性意識(shí)。

1.3 激發(fā)創(chuàng)造性，在《機(jī)械原理》課程教學(xué)中發(fā)揮教師主導(dǎo)性。

人人有創(chuàng)新的欲望，人人都有創(chuàng)新性。創(chuàng)新教育就是讓所有的機(jī)械專業(yè)學(xué)生都能夠自由發(fā)揮，在自己擅長(zhǎng)的方向取得理想成績(jī)。因此，機(jī)械專業(yè)學(xué)生和教師的角色要進(jìn)行轉(zhuǎn)換，關(guān)系要改變。教師角色應(yīng)該由原來(lái)處于中心地位的知識(shí)講解員、傳授者轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)的指導(dǎo)者、幫助者、促進(jìn)者，教師要在教學(xué)中強(qiáng)化創(chuàng)新思想，是創(chuàng)新教育的主導(dǎo)者；機(jī)械專業(yè)學(xué)生角色應(yīng)該由原來(lái)的被動(dòng)接受者轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)參與者．成為知識(shí)的探究者，機(jī)械專業(yè)學(xué)生是創(chuàng)新教育的主體，要在學(xué)習(xí)中強(qiáng)化創(chuàng)新精神，形成一種師生互動(dòng)的良好局面。再如仿生學(xué)中的機(jī)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)。在模擬生物體優(yōu)異運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)方面也取得了許多創(chuàng)新性的成果。植物葉片的收疊和伸展功能起著保護(hù)嫩葉免受外來(lái)?yè)p傷的作用，如許多熱帶植物一旦碰到溫度急驟下降就利用葉片表面波紋結(jié)構(gòu)的收疊功能來(lái)避免霜凍危害。人造衛(wèi)星和航天裝備研究人員受到植物葉片收疊和伸展特性的啟示，將植物葉片的這種功能用于航天飛船的天線和大面積太陽(yáng)能電池的設(shè)計(jì)中。根據(jù)長(zhǎng)頸鹿血液循環(huán)系統(tǒng)的獨(dú)特機(jī)構(gòu)，發(fā)明了超音速戰(zhàn)斗機(jī)的抗荷飛行服。航天科學(xué)家受蒼蠅平衡器后翅的肩示，成功地研制體積小、重量輕的“諧振陀螺儀”。蝴蝶的身體表面生長(zhǎng)的一層極小的鱗片能夠調(diào)節(jié)體溫，仿生研制的人造衛(wèi)星的溫控系統(tǒng)能夠避免溫差損毀精密儀器等。

這里要講的是進(jìn)行創(chuàng)新教育，首先要求教師應(yīng)該以身作則，豐富自身的知識(shí)結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化自身的創(chuàng)新意識(shí)，進(jìn)行創(chuàng)新性教學(xué)。教師要轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)的教育觀，培養(yǎng)機(jī)械專業(yè)學(xué)生的自學(xué)能力和創(chuàng)新性品質(zhì)。教師要學(xué)習(xí)和掌握創(chuàng)造性原理和創(chuàng)造性方法，并有機(jī)地運(yùn)用到教學(xué)中。教師要掌握現(xiàn)代教學(xué)手段，才能夠得心應(yīng)手進(jìn)行創(chuàng)新教育。教師要有很強(qiáng)的業(yè)務(wù)素質(zhì)與課堂講授藝術(shù)，課堂活動(dòng)才可能既組織有序又生動(dòng)活潑。作為一個(gè)主導(dǎo)性而不是一個(gè)說教性的教師，要尊重、信任、啟發(fā)機(jī)械專業(yè)學(xué)生，做到民主、平等、自由、公正，機(jī)械專業(yè)學(xué)生才會(huì)敢于發(fā)表自己的見解，提出自己的質(zhì)疑；才會(huì)變得生動(dòng)活潑，積極主動(dòng)，表現(xiàn)出強(qiáng)烈的求知欲和蓬勃的創(chuàng)造力。教師要積極引導(dǎo)機(jī)械專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)中再次發(fā)現(xiàn)、重組知識(shí)，聯(lián)系實(shí)際，動(dòng)手、動(dòng)腦解決問題。例如：講機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)時(shí)，要提出一個(gè)科研課題的內(nèi)容，先講解它的功能．最后落實(shí)到需要解決將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)這樣一個(gè)閱題，要使機(jī)械專業(yè)學(xué)生感覺學(xué)有所用，有成就感和充實(shí)感，奠定了良好的學(xué)習(xí)心態(tài)．激發(fā)了創(chuàng)造意識(shí)和創(chuàng)造熱情。

2.規(guī)劃創(chuàng)新程序，在《機(jī)械原理》課程中實(shí)踐創(chuàng)新教育。

所有的創(chuàng)造性技法都要依賴于機(jī)械設(shè)計(jì)知識(shí)的積累，所有的創(chuàng)造性技法都要?dú)w結(jié)為一種產(chǎn)品的誕生?！稒C(jī)械原理》教學(xué)中的創(chuàng)新教育主要體現(xiàn)在進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。創(chuàng)新設(shè)計(jì)的程序涉及如何選題與如何進(jìn)行兩個(gè)方面。創(chuàng)新設(shè)計(jì)的選題具有非常重要的地位，它直接關(guān)系到設(shè)計(jì)和產(chǎn)品的創(chuàng)新性，同時(shí)選題本身也是一個(gè)創(chuàng)造性的思維過程。

隨著人類對(duì)資源、環(huán)境的重視程度逐漸增加，迫切需要改變我國(guó)機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)中的保守設(shè)計(jì)思想。傳統(tǒng)而粗放的生產(chǎn)制造過程必須得到改善，學(xué)習(xí)生物結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方法將為節(jié)約原材料發(fā)揮積極作用，其應(yīng)用也會(huì)日趨廣泛。

第一是從結(jié)構(gòu)仿生在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用過程來(lái)看，其發(fā)展的主體趨勢(shì)為：最初外形結(jié)構(gòu)的機(jī)械模仿，隨后的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理的理性分析，現(xiàn)階段注重結(jié)構(gòu)與功能、材料、制造等方面的綜合分析。

第二是結(jié)構(gòu)仿生的研究?jī)?nèi)容：從宏觀的形態(tài)模擬，到細(xì)觀的功能原理，再到微觀組織構(gòu)型，內(nèi)容在不斷深入和擴(kuò)大。

第三是結(jié)構(gòu)仿生的研究方法：注重對(duì)生物結(jié)構(gòu)的微觀觀察和分析，多采用數(shù)學(xué)建模、力學(xué)分析及有限元的方法進(jìn)行仿真分析，再通過對(duì)仿生樣件的試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)構(gòu)仿生正逐漸成為創(chuàng)新研究的重要方法，并已成為提升科學(xué)技術(shù)原始創(chuàng)新能力的一個(gè)重要方向。

第四是結(jié)構(gòu)仿生的發(fā)展方向：正向著微觀化、系統(tǒng)化、智能化、精細(xì)化的方向發(fā)展，使各學(xué)科間的聯(lián)系日益密切；結(jié)構(gòu)仿生衍生了新的仿生方向，特別是隨著對(duì)基因組、蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)、腦與神經(jīng)結(jié)構(gòu)與功能的認(rèn)知，推動(dòng)了以解讀生命信息為目的的計(jì)算仿生學(xué)的發(fā)展。

3.結(jié)束語(yǔ)

注重素質(zhì)教育、培養(yǎng)創(chuàng)新能力是當(dāng)前教學(xué)改革的方向，創(chuàng)新教育要貫穿在機(jī)械教學(xué)中，要激發(fā)創(chuàng)新意識(shí)，培養(yǎng)創(chuàng)新思維，積累創(chuàng)新技法，強(qiáng)化創(chuàng)新訓(xùn)練。仿生學(xué)已成為培養(yǎng)機(jī)械專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新性思維的重要載體。

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