以產(chǎn)品設(shè)計(jì)能力為導(dǎo)向培養(yǎng)本科生的創(chuàng)新思維
——“有限元分析方法”教學(xué)模式探究

冉家琪，龔 峰

（深圳大學(xué)機(jī)電與控制工程學(xué)院 廣東 深圳 518060）

《新工科建設(shè)指南》提出：“強(qiáng)化工程人才的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力培養(yǎng)，完善工科人才創(chuàng)意—創(chuàng)新—創(chuàng)業(yè)的教育體系”。2020年廣東省經(jīng)濟(jì)規(guī)模突破10萬億，其中作為廣東經(jīng)濟(jì)中堅(jiān)力量的制造業(yè)對綜合設(shè)計(jì)類人才的需求日益增大[1]，而綜合設(shè)計(jì)類人才除了要求機(jī)械類畢業(yè)生擁有建模及數(shù)值仿真的能力之外，還必須擁有“從無到有”的創(chuàng)新思維[2]，掌握基本的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法。因此，機(jī)械專業(yè)教育需要對現(xiàn)有專業(yè)課程進(jìn)行內(nèi)容解析，在教育理念、內(nèi)容、方法、考核評價(jià)方式等方面作出相應(yīng)改革[3]。

1 目前有限元分析方法教學(xué)中的典型問題

機(jī)械制造及自動化專業(yè)的培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)擁有工程背景的全方位人才和面向制造業(yè)并擁有創(chuàng)新能力的設(shè)計(jì)型人才[4]。然而，現(xiàn)有的各課程教學(xué)模式容易走入兩個誤區(qū)，第一個誤區(qū)是缺乏產(chǎn)品綜合設(shè)計(jì)及創(chuàng)新思維實(shí)踐。學(xué)生修讀上述課程后在畢業(yè)設(shè)計(jì)中不知如何統(tǒng)合各課程知識點(diǎn)并加以應(yīng)用[5，6]，缺乏創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)踐；第二個誤區(qū)是缺乏產(chǎn)品設(shè)計(jì)在文化層面及經(jīng)濟(jì)層面的思考。這兩種誤區(qū)具體表現(xiàn)為以下三個方面：

第一，課程內(nèi)容與企業(yè)期望人才所擁有的能力脫節(jié)。工程實(shí)踐是檢驗(yàn)工科學(xué)生學(xué)習(xí)效果的重要標(biāo)準(zhǔn)，企業(yè)作為高校畢業(yè)的最終接收者，往往很難找到“即插即用”型的人才。

第二，材料力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)與有限元分析方法等專業(yè)課程缺乏創(chuàng)新設(shè)計(jì)聯(lián)動及知識統(tǒng)合訓(xùn)練。

第三，現(xiàn)有課程考核方式導(dǎo)致學(xué)生缺乏創(chuàng)新思維訓(xùn)練及創(chuàng)新設(shè)計(jì)的機(jī)會。創(chuàng)新思維的訓(xùn)練是一個長期的過程，而現(xiàn)有大部分機(jī)械類課程仍以考試為主。

綜上所述，為使得機(jī)械專業(yè)畢業(yè)生得到長期連續(xù)的創(chuàng)新思維訓(xùn)練并擁有基本的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，高校教育工作者需要改變思想，對機(jī)械類專業(yè)課需要進(jìn)行必要的教學(xué)改革，以學(xué)生為中心，培養(yǎng)其統(tǒng)合過往所學(xué)基礎(chǔ)知識并加以綜合應(yīng)用的能力，鍛煉其創(chuàng)新思維以適應(yīng)制造類企業(yè)創(chuàng)新型設(shè)計(jì)類人才的需求。

2 以競賽為導(dǎo)向的產(chǎn)品設(shè)計(jì)聯(lián)動教學(xué)模式

以競賽為導(dǎo)向的教學(xué)模式強(qiáng)調(diào)對過往知識的綜合應(yīng)用及創(chuàng)新思維訓(xùn)練，結(jié)合競賽需求進(jìn)行跨學(xué)科聯(lián)動教學(xué)。以全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽為例，其主要目的是通過給定大賽主題，讓已經(jīng)完成大部分機(jī)械類基礎(chǔ)課程的學(xué)生按照前期調(diào)研、概念設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、力學(xué)分析四大產(chǎn)品設(shè)計(jì)基本步驟體驗(yàn)創(chuàng)新思維的全過程。

以競賽為導(dǎo)向的創(chuàng)新思維培養(yǎng)及創(chuàng)新設(shè)計(jì)，意味著需要挑選一門專業(yè)必修課，對過往機(jī)械基礎(chǔ)知識進(jìn)行回顧及拓展的同時，引入創(chuàng)新設(shè)計(jì)的基本步驟，以產(chǎn)品設(shè)計(jì)為最終目標(biāo)講授該課程。有限元分析方法作為承接理論力學(xué)、材料力學(xué)等力學(xué)類課程與機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)相關(guān)類課程的專業(yè)課樞紐，比較適合開展此類產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)教學(xué)聯(lián)動。教師需要對過往力學(xué)課程進(jìn)行回顧的同時，介紹有限元分析方法的相關(guān)理論、相關(guān)軟件的操作，并指定某個大作業(yè)主題，給予學(xué)生8―10周的時間進(jìn)行組隊(duì)分工，進(jìn)行市場調(diào)研后列出設(shè)計(jì)目標(biāo)人群，按照設(shè)計(jì)基本流程完成相應(yīng)設(shè)計(jì)任務(wù)，將“設(shè)計(jì)黑箱”逐漸轉(zhuǎn)化為“白箱”，從而達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維能力的目標(biāo)。

從結(jié)果上看，聯(lián)動教學(xué)對各年級學(xué)生創(chuàng)新思維的培養(yǎng)具有重要價(jià)值：低年級學(xué)生在機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽、挑戰(zhàn)杯、robomaster大賽中可以首先使用聯(lián)動教學(xué)中涉及的有限元及機(jī)械設(shè)計(jì)的初步知識，從而更快融入設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)或?qū)①悷o人機(jī)等進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，減少老隊(duì)員帶新隊(duì)員的磨合時間；高年級學(xué)生通過聯(lián)動教學(xué)可以在畢業(yè)設(shè)計(jì)或進(jìn)入工作崗位前，最大限度地對實(shí)際設(shè)計(jì)過程中可能遇到的問題進(jìn)行預(yù)演，提高解決實(shí)際工程問題的能力。對比發(fā)現(xiàn)，接受過聯(lián)動教學(xué)的學(xué)生在創(chuàng)新思維、建模仿真、設(shè)計(jì)加工、表達(dá)的能力明顯高于未接受過聯(lián)動教學(xué)的學(xué)生。圖1為本單位某2020屆畢業(yè)生依靠產(chǎn)品設(shè)計(jì)創(chuàng)新思維進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基本流程。由此可知，以競賽為導(dǎo)向的創(chuàng)新思維訓(xùn)練對培養(yǎng)出企業(yè)急需的新工科人才幫助巨大。

基于以競賽為導(dǎo)向的創(chuàng)新思維訓(xùn)練的上述顯著優(yōu)點(diǎn)，本教研組在機(jī)械專業(yè)課程體系中選取了“有限元分析方法”作為聯(lián)動教學(xué)的教學(xué)改革試點(diǎn)。2017年至今，多位參與過有限元分析方法創(chuàng)新思維教學(xué)的本科生獲得全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽、全國大學(xué)生先進(jìn)成圖技術(shù)與產(chǎn)品信息建模創(chuàng)新大賽等機(jī)械類比賽省級以上獎勵，多位同學(xué)獲得國家發(fā)明專利授權(quán)?？梢院侠硗茢?，以競賽為導(dǎo)向的創(chuàng)新思維訓(xùn)練與聯(lián)動教學(xué)不僅可以梳理學(xué)生在畢業(yè)設(shè)計(jì)及日后工作中解決問題的邏輯思維，更有希望增強(qiáng)學(xué)生對這幾門課程的理解并反哺其產(chǎn)品設(shè)計(jì)所需的相關(guān)工程素養(yǎng)。

3 “有限元分析方法”教學(xué)引入現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論的基本知識

創(chuàng)新思維的培養(yǎng)離不開科學(xué)的理論指導(dǎo)，而現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論的核心是“最優(yōu)化設(shè)計(jì)”與“創(chuàng)新思維設(shè)計(jì)（黑箱法）”。為將現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論中的創(chuàng)新思維培養(yǎng)方法介紹給學(xué)生，教研組在有限元分析方法課程中將單獨(dú)使用1學(xué)時簡要介紹黑箱法與最優(yōu)化設(shè)計(jì)建模，幫助學(xué)生發(fā)散思維；而后給定某個課題，要求學(xué)生使用黑箱法進(jìn)行頭腦風(fēng)暴并提出概念設(shè)計(jì)圖，根據(jù)概念設(shè)計(jì)圖繪制相應(yīng)的CAD模型并使用最優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，在完成CAD建模后使用有限元軟件分析該模型危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)最終提交作業(yè)。應(yīng)用此方法，學(xué)生可以按部就班完成有限元分析方法大作業(yè)并結(jié)合自身能力提煉科學(xué)問題，培養(yǎng)創(chuàng)新思維。

從上述前期試點(diǎn)所反映的教學(xué)效果看，創(chuàng)新思維培養(yǎng)與聯(lián)動教學(xué)對參與聯(lián)動教學(xué)的課程平均成績具有提升作用，培訓(xùn)后的學(xué)生進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)時，對設(shè)計(jì)流程十分明確，設(shè)計(jì)成本減少，設(shè)計(jì)合理度增大，符合企業(yè)對創(chuàng)新設(shè)計(jì)類人才的相關(guān)需求。

4 課程考核方法改革

基于上述教學(xué)改革理論，創(chuàng)新思維培養(yǎng)與聯(lián)動教學(xué)要求教師打破原有的教學(xué)思路，減少或取消出勤分?jǐn)?shù)，在總評中添加自選項(xiàng)目成績，并在期末教學(xué)時段外完成答辯。答辯分?jǐn)?shù)分為教師評分與學(xué)生評分兩部分，合理考慮學(xué)生所選項(xiàng)目的難易度、完成度、創(chuàng)新性以及學(xué)生在答辯中的表現(xiàn)，按學(xué)生與教師6:4權(quán)重給出答辯分?jǐn)?shù)。具體采用如下研究方案：

教學(xué)內(nèi)容的選擇。結(jié)合與該課程相關(guān)的內(nèi)容對學(xué)生后續(xù)課程所需知識點(diǎn)做簡要的介紹，使得學(xué)生明確課程授課目的及作用；調(diào)整部分章節(jié)的授課順序及授課內(nèi)容，使其更容易為學(xué)生接受。

實(shí)際案例的相關(guān)教學(xué)研究。改變傳統(tǒng)的授課方式，采用啟發(fā)式的教學(xué)，調(diào)動學(xué)生的積極性，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)實(shí)際應(yīng)用，豐富授課內(nèi)容，擴(kuò)充學(xué)生的知識面。

基于學(xué)科競賽及大學(xué)生雙創(chuàng)項(xiàng)目的創(chuàng)新思維激勵機(jī)制與課程評價(jià)考核方式改革。對參與競賽、大學(xué)生創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新項(xiàng)目的學(xué)生，允許學(xué)生以競賽作品作為期末大作業(yè)進(jìn)行答辯，增強(qiáng)學(xué)生對創(chuàng)新思維訓(xùn)練的積極性。

企業(yè)參與反饋創(chuàng)新思維培養(yǎng)成果。鼓勵高年級本科生積極參與企業(yè)相關(guān)橫向課題，積極獲取企業(yè)對參與創(chuàng)新思維培養(yǎng)學(xué)生的用人反饋，及時修正優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容及考核方式。

5 結(jié)論

隨著中國制造業(yè)逐漸向智能化推進(jìn)，企業(yè)所需的人才水平也在不斷提升，與之相對應(yīng)的機(jī)械類人才教育模式也必須從企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際出發(fā)，以企業(yè)所需的高素質(zhì)人才為落腳點(diǎn)，抹平高校教育教學(xué)與企業(yè)生產(chǎn)實(shí)際之間的鴻溝，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，引導(dǎo)學(xué)生統(tǒng)合過往所學(xué)知識及學(xué)習(xí)方法，啟發(fā)學(xué)生系統(tǒng)性看待工業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際問題，培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維的機(jī)械類技術(shù)人才?；谶@種理念，本教研組提出了基于創(chuàng)新思維培養(yǎng)、以學(xué)科競賽為導(dǎo)向的有限元分析方法教學(xué)改革，建立培養(yǎng)機(jī)械專業(yè)設(shè)計(jì)類人才的教學(xué)模式。