基于機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽的本科生工程能力培養(yǎng)＊

康嘉杰，楊義勇，岳 文，朱麗娜，付志強(qiáng)，校文超，唐云龍

（中國地質(zhì)大學(xué)（北京）工程技術(shù)學(xué)院，北京100083）

1 引言

機(jī)械本科專業(yè)的核心為機(jī)械設(shè)計、制造與機(jī)械自動化，基礎(chǔ)為高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理以及工程力學(xué)等，并且結(jié)合了計算機(jī)科學(xué)、自動化理論、通信與傳感等多學(xué)科知識，具有較強(qiáng)的系統(tǒng)理論性和極強(qiáng)的指導(dǎo)性、實用性[1]。而在實際教學(xué)中，以課堂教學(xué)模式為主，理論學(xué)習(xí)多于實踐，從一定程度上影響了機(jī)械專業(yè)本科生創(chuàng)新意識和實踐工程能力的培養(yǎng)，未能將機(jī)械學(xué)科的特點充分發(fā)揮出來。隨著中國產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國際競爭力提升，國家發(fā)展的不平衡性也逐漸得到緩解，但由于創(chuàng)新能力不夠強(qiáng)引起的發(fā)展質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益不夠高的問題依然存在[2-3]，對于具有自主創(chuàng)新工程能力的工科生需求也愈發(fā)強(qiáng)烈。

為全面提高中國工科學(xué)科本科生的創(chuàng)新能力和解決實際問題的工程能力，國家開展了大學(xué)生創(chuàng)新性實驗計劃、卓越工程師培養(yǎng)計劃、2011 計劃等一系列重大項目[4-5]。并且積極與國外接軌，加入國際本科工程學(xué)位互認(rèn)協(xié)議《華盛頓協(xié)議》，由教育部對各高校進(jìn)行OBE（Outcome-based Education）標(biāo)準(zhǔn)的工程專業(yè)認(rèn)證和管理[6-7]。各高校也積極響應(yīng)國家號召，結(jié)合自身學(xué)科特點和優(yōu)勢開展了關(guān)于課程、實踐等方面的教學(xué)創(chuàng)新和改革。

通過創(chuàng)新設(shè)計產(chǎn)品去解決實際問題是培養(yǎng)機(jī)械專業(yè)本科生創(chuàng)新和工程能力的有效途徑。中國地質(zhì)大學(xué)（北京）工程技術(shù)學(xué)院機(jī)械專業(yè)合理地采用了這種教學(xué)方法，以首都高校機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽為實踐平臺及抓手，通過“基于傳統(tǒng)，提出創(chuàng)新；結(jié)合實際，設(shè)定方案；理論運用，解決問題”的教學(xué)設(shè)計思路引導(dǎo)本科生運用機(jī)械設(shè)計理論創(chuàng)新設(shè)計產(chǎn)品，并取得了喜人的效果。

2 基于傳統(tǒng)，提出創(chuàng)新

創(chuàng)新來源于生活，來源于實際，對于機(jī)械專業(yè)本科生來講，設(shè)計一種具有全新結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品難度很大，而在對于現(xiàn)有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)足夠了解之后，對于其所存缺陷進(jìn)行的改進(jìn)是最為切實可行的創(chuàng)新實踐。秉持這樣的教學(xué)思路，將本科生分組進(jìn)行創(chuàng)新討論和構(gòu)思，在以“夢幻課堂”為主題的首都高校機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽中，學(xué)生結(jié)合實際教學(xué)過程中所遇到的實際問題，提出了多種創(chuàng)新性的想法。這其中，參賽作品“自主遙控式可選擇性擦除無塵黑板”和“自動翻書機(jī)”獲得了評委的一致好評，“自主遙控式可選擇性擦除無塵黑板”獲得了首都高校第七屆機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽一等獎。

自主遙控式可選擇性擦除無塵黑板的發(fā)明是創(chuàng)新來源于實際的最為直觀的反應(yīng)。在參賽過程中，教師指導(dǎo)該組學(xué)生對現(xiàn)有黑板擦及黑板的類型進(jìn)行調(diào)研，這是基于傳統(tǒng)；然后對所存在的弊端進(jìn)行歸納，這是發(fā)現(xiàn)問題；最后根據(jù)這些弊端提出改進(jìn)方案，這是提出創(chuàng)新。這樣的指導(dǎo)思路將學(xué)生一步步引入到實際中，又激發(fā)他們從實際中發(fā)現(xiàn)問題，并提出解決途徑，使得學(xué)生的創(chuàng)新能力得到提升，并且學(xué)生嘗試運用各種所學(xué)專業(yè)知識去解決問題的過程，也是對其工程能力的極大鍛煉。最終，該組學(xué)生通過調(diào)研總結(jié)了各式各樣黑板擦和黑板的優(yōu)缺點，發(fā)現(xiàn)具有自主控制功能的并可對黑板進(jìn)行可選擇性擦除的無塵黑板擦是極具應(yīng)用前景的一種新型產(chǎn)品。

3 結(jié)合實際，設(shè)定方案

實現(xiàn)產(chǎn)品功能的方案和思路是多種多樣的，這些方案和思路是建立在實際應(yīng)用的機(jī)械模塊和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，并且最后綜合多種不同結(jié)構(gòu)才能得以實現(xiàn)。因此，學(xué)院教師在指導(dǎo)方案設(shè)計時首先引導(dǎo)學(xué)生拆分產(chǎn)品為多個單元，然后針對各個單元進(jìn)行專項分析和設(shè)計，最后再依次搭配，篩選獲取最優(yōu)設(shè)計方案。在設(shè)計過程中，要求本科生參照實際的機(jī)械產(chǎn)品對每個機(jī)械單元列出兩到三種機(jī)械結(jié)構(gòu)或者模塊，并對這些結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點進(jìn)行總結(jié)，對其實際可行性進(jìn)行驗證分析，培養(yǎng)學(xué)生從實用性出發(fā)思考問題的方式。最后，對各個單元進(jìn)行匯總，匹配得到多種設(shè)計方案。此時，需要要求學(xué)生從結(jié)構(gòu)可靠性和便捷性、產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性等方面綜合考慮，即零件應(yīng)具有好的可靠性、簡單的結(jié)構(gòu)、便捷的操作和低的成本。在自主遙控式可選擇性擦除無塵黑板設(shè)計方案中，該組學(xué)生首先進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)單元劃分：擦除單元、吸塵單元、控制單元和傳動單元。然后根據(jù)各個單元的實現(xiàn)功能對各種實際機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇，并匯總篩選得出了成熟可靠的產(chǎn)品總體結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)分別如圖1 和圖2 所示。

圖2 自主遙控式可選擇性擦除無塵黑板三維結(jié)構(gòu)示意圖

4 理論運用，解決問題

當(dāng)設(shè)計方案設(shè)定好后，就需要對產(chǎn)品系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計算，包括各個單元系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計、零件結(jié)構(gòu)材料的選擇、系統(tǒng)核心原理的說明、零件校核等。這里就需要學(xué)生們充分運用機(jī)械設(shè)計、機(jī)械原理、機(jī)械制造、工程力學(xué)、機(jī)電控制等方面的理論知識去解決實際問題，進(jìn)而提升學(xué)生們的工程能力。在每個計算和校核過程中，都需綜合考慮產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性和安全性。指導(dǎo)教師引導(dǎo)學(xué)生們按照“分項考慮，逐項遞進(jìn)”的設(shè)計思路進(jìn)行，即安全第一，環(huán)保第二，經(jīng)濟(jì)第三，這對于培養(yǎng)學(xué)生較強(qiáng)的安全意識和環(huán)保意識具有重要意義。

通過一系列的計算校核后，學(xué)生們確定了自主遙控式可選擇性擦除無塵黑板各個組件的數(shù)量、尺寸，設(shè)定了控制部分的電流、功率等，并對箱體、齒輪等零部件進(jìn)行了選材。最終通過實際操作進(jìn)行加工和組裝，經(jīng)調(diào)試后得到作品。

5 總結(jié)

只有通過親自動手解決實際問題，才能使自身所學(xué)得以真正消化和發(fā)揮。中國地質(zhì)大學(xué)（北京）工程技術(shù)學(xué)院通過“以賽代授、以賽促授”的教學(xué)模式使得機(jī)械專業(yè)本科生的創(chuàng)新能力和工程能力得到了極大提升。這種教學(xué)模式并不是簡單地讓學(xué)生解決問題，而是以“首都高校機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽”題目為指導(dǎo)，以成熟的設(shè)計思路去科學(xué)指導(dǎo)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計，具有好的指導(dǎo)性和高效性，能夠更加快速地使本科生建立起自主解決實際問題的工程能力。