網絡環境下，機械創新設計開放實驗基地組織模式、管理與實踐研究

羅天洪

[摘要]筆者建立了一個功能相對完善、能支持網絡環境下機械創新設計開放實驗基地的研究平臺,研究了開放實驗基地的組織模式、管理機制和推廣應用策略;結合網絡技術、計算機技術和其它工程技術,把傳統創新基地建設拓展到更廣的網絡虛擬環境,研究了網絡環境下機械創新設計開放實驗基地建設的實現技術和實驗技術。

[關鍵詞]網絡環境 機械創新設計 實驗基地

從2002年起,教育部在工作要點中明確提出:“高等學校要充分利用現代化教學手段,注重培養學生的科學精神、科學態度,切實提高實踐環節,培養學生創新精神、實踐能力及創業能力,全面推進素質教育”。而實施素質教育的核心就是學生創新能力的培養,高校創新基地是培養人才和科學研究的基地,是培養學生全面素質和創新能力的重要基地。機械創新設計開放實驗基地的目標就是:通過更新觀念,改革實驗教學,加強學生的動手能力、實驗組織能力、實際解決問題和分析問題的能力及創新意識的培養。

一、網絡環境下的機械創新設計開放實驗基地的提出與現狀

現有的很多大學的創新基地建設長期進展緩慢,設備資源種類和數量少、技術水平低、不系統、不完善,尤其一些重要的創新性實驗設備/手段單一、設備陳舊,一些綜合性、設計性、創造性的實驗幾乎是空白,嚴重制約了本科生、研究生教學質量的提高和學科發展水平;一些條件較好的高校,雖然可以建設較好的軟硬件環境,創建較好的基地條件,然而,現在的軟件和硬件的發展日新月異,想通過自己一家之力辦成最新最前沿的基地,這樣的投入,無疑會成為高校的巨大負擔;同時每個高校有自己的特色專業和特色學科,他們無疑會追加相應的投入以促進其發展,每個高校想把每個專業都辦成最有特色,這是不現實的。在這種情況下,作者一直在探索,能否通過某種機制/平臺,共享各個基地的資源,把眾多高校的創新基地集中起來,辦成一個規模大、設施齊全、師資強的一個創新基地平臺。如今,網絡技術和虛擬實驗室的研究相對成熟,但是純粹的網上虛擬實驗,有太多的理想成分,與現實的實驗場地和實驗對象不符,實驗效果的失真度較大。因此,隨著網絡技術、信息技術、多媒體技術、接口技術的發展,提出了網絡環境下的機械創新設計開放實驗基地組織模式、管理與實踐研究,旨在通過Internet,整合本地資源、共享兄弟單位資源,搭建一個跨地域的機械創新設計開始實驗基地平臺,同時也解決了傳統創新基地中設備投資大、維護工作艱巨、缺乏靈活性、人機交互能力差、可視化程度低、計算能力低、無資源共享性等問題,因此具有較高的社會效益和經濟效益,具有重要的推廣價值。

為提高大學生的創新能力,許多國家都把培養創新型人才擺在戰略的高度加以重視,許多高校率先組建以工程培訓中心、創新實踐基地為代表模式的新型校內工程創新實踐教學基地。美國 Illinois大學的Nmrscope系統,通過Internet,研究人員在任何地方都能使用Illinois大學的試驗設備和資源。Carnevale研究了一種教學虛擬實驗室。陳吉明提出了包括創新產品實例展示及創造發明成果展示室、創新產品剖析室、創新設計室、現代設計室、加工制作實踐室、性能測試室、創業孵化器室在內的創建創新基地的方案和措施。鄧國紅就建設創新實踐基地的意義、構成、方案等問題進行了探討。孫晉萍討論了機械基礎實踐創新基地建設的問題,從創新基地建設的必要性、模式,以及創新基地的實施措施等方面進行了探討。陳啟軍介紹了同濟大學智能機器人創新基地的建設的基本情況。曾寶成就機械動力類專業創新實踐教學基地建設的探索。劉祥樓探討了大學生校內創新教育基地建設的研究與實踐。雷斌探索了高校工科實驗基地過渡到創新基地途徑。耿桂紅研究了建立創新基地、培養創新人才的意義和方案。廣東工業大學介紹了其機械教學示范中心的措施和取得的效果。

本文提出了網絡環境下機械創新設計開放實驗基地組織模式、管理與實踐研究,研究了本地物理創新基地建設模式、創新基地管理模式、實現與推廣等方面的關鍵技術,為網絡環境下創新基地的研究提供全新的基礎理論、方法和技術。深化了教學改革、探索新的人才培養模式、拓寬學生思維方式,以更寬、更強的創新基地平臺培養寬基礎、強能力、高素質的創新人才,提高了學生的創新精神和實踐能力。

二、網絡環境下機械創新設計開放實驗基地的平臺構成

網絡環境下機械創新設計開放實驗基地的平臺構成主要包括開放實驗基地的組織模式、管理機制和推廣應用策略三方面的內容。

1.網絡環境下機械創新設計開放實驗基地組織模式

借鑒國內外先進的開放實驗基地組織模式,開展理論教學、課程實踐和創新實踐相結合,分層次、分專業方向,突出先進性、創新性,建設一個高水平的創新實踐基地組織體系。通過網絡技術,把傳統的實踐基地建設拓展到更大的網絡空間,實現資源的共享,力求最終建成一個與國際創新教學接軌、國內先進的機械創新設計開放實驗基地組織體系。以其為創新教育和科技創新活動的載體,強化機械創新設計開放實驗基地孵化功能,開展多層次的科技創新實踐活動,以培養具有真正創新素質的人才。

2.網絡環境下機械創新設計開放實驗基地的組建方案

針對機械創新設計的特點,實現方案遵循以培養創新人才為原則,以提高學生的創新能力和意識為出發點,配置軟、硬件相結合的機械創新設計開放實驗基地方案體系結構。

硬件方面遵循“基礎原理——基本零件——機構組合——集成創新”這樣的平臺建設思路。

軟件是硬件的各項功能得以正常發揮和實現的核心動力。在網絡環境下機械創新設計開放實驗室軟件資源配置方面,主要包括應用軟件和二次開發軟件,應用軟件又包括網絡虛擬軟件、建模軟件、分析軟件、虛擬實驗軟件和仿真軟件。

軟、硬件配置實現以后,研究相應的網絡技術,把本地開放實驗基地拓展到網絡空間,讓遠程用戶可以共享本地實驗設備、數據資源、甚至實驗結果。實現網絡環境下的機械創新設計開放實驗基地。

3.完善的管理機制和教學配套體系建設以及推廣應用研究

傳統實踐基地簡單化、僵硬化,不能適應現代工程實踐教學要求,本項目以網絡技術和工程技術為依托,從基地組織模塊、硬件設備/設施建設、制度建設、隊伍建設等方面入手,突出先進性、創新性,建立一個與教學組織和教學管理相適應的設計型、創新型實驗基地體系。力求管理機制上簡單明了、操作方便。配套體系完善,包括軟件、硬件、和相應的設施及工程技術背景。推廣方面立足實用、便捷的原則,最大限度的為提高學生的創新能力和創造性服務。

三、網絡環境下機械創新設計開放實驗基地的實現技術

1.機械創新設計開放實驗基地組織模式

運用網絡技術和相關工程技術,以全校各專業本科生研究生為基本對象,以創新思維和創新能力的訓練為核心,以培養高素質、復合型人才為宗旨,以不斷孵化創新人才、創新作品、創新思想等創新教育成果為目標,努力建設一個基本涵蓋創新體系內容,可以對學生進行創新思維訓練、團隊創新訓練、知識整合項目訓練、科研成果轉化訓練等各種層次訓練的全方位開放式創新實踐訓練基地。具體的組織模式為:(1)機械創新實驗室:運用目前世界上先進的創意組件和軟件及其算法等對大學生進行創新訓練,通過對實際工程問題的觀測、分析、更新、設計、實踐,激發學生的創新意識,培養創新能力。(2)機械創新技術模擬中心:創新技術模擬是創新訓練的核心,其主要任務是通過實際創新產品的研制,讓學生體驗創新設計及其制作的全過程。(3)創新成果孵化中心:創新成果孵化中心的主要工作是搭建創新項目綜合開發孵化平臺,為創新項目提供必要的實驗場地、設備等條件,和資金扶持,最終將這些創新成果推向社會,轉化為生產力。為學有余力的優秀同學提供一個綜合設計、開發的實驗場所,鼓勵學生自主選題,大膽創新,掌握先進的設計方法和手段,提高獨立工作能力和綜合素質。 (4)創新培訓中心:開設創造性思維集訓、設計與制造培訓、管理創新基礎培訓、計算機網絡及電子商務培訓等模塊,快速提高各種創新能力。

2.網絡環境下,機械創新設計開放實驗基地的建立

根據機械創新設計開放試驗基地的要求和特點,按照設立創新實驗室、創新技術模擬中心、創新成果孵化中心針和創新培訓中心的開放實驗基地組織模式的要求,以及“基礎原理——基本零件——機構組合——集成創新”的平臺建設思路,運用網絡技術和相關工程技術,組建本地實驗基地和遠程實驗基地,運用網絡協議和接口技術,實現遠程數據傳輸和資源/設備共享和硬件在環的各類(仿真)試驗條件。實現機構創新組件、創意制作、成果孵化、教學培訓、網絡組件和硬件等設施的合理配置與搭配。

構造硬件在環的虛擬試驗基地網絡環境,通過軟件來模擬構思仿真學生的創新意圖和提供相應的佐證。以網絡化軟件和硬件在環的接口軟件來實現網絡的搭接。機構的設計制作仿真創新,利用學院的UGS建模軟件、CAE分析軟件,以及AMESIM和Simulink軟件進行機構系統與運動仿真,并同時可共享兄弟單位的資源。

3.管理機制與推廣應用模式

在學校的統一規劃下,實行專人負責制,建立全新的評價機制,完善各種管理制度。在培養學生創新能力的過程中,積極實施創新工程,實行最大限度的“開放”,并不斷完善各項實驗室管理規范和制度,為大學生創新能力的提高提供堅實的制度保障。首先在機電學院各專業之間共享相關的資源和試驗條件,成功以后在全校推廣,比如,機電學院、土木學院和河海學院的一些結構分析(仿真)試驗,就可以共享各個單位的資源,提高資源利用率,降低成本。本校使用成功以后,再向全重慶市和全國推廣。

四、主要特色

1.網絡環境下機械創新設計開放實驗基地是傳統實驗基地的有效延伸

本項目針對很多大學專業口徑窄,師資力量薄弱,儀器設備欠缺的實際,我們通過共享/優化/重組跨地域跨學科的各類實訓中心、基礎實驗室、工程實驗室、創新實驗室、培訓中心等原有實踐教學資源,組建創新基地,集中師資、設備力量,加大投入,組建基于硬件在環的協同虛擬創新基地,服務地方經濟,拓寬了教學實驗的時空觀,提高了效率和效益。

2.良好的交互性、高度自主性和廣泛的協同性

交互性是遠程網絡環境下創新基地的顯著特點,集成系統平臺是仿真技術、多媒體技術、虛擬現實技術等計算機技術的有機組合應用,特別是多媒體計算機具有圖文并茂、用戶可以進行豐富多彩的“人—機”交互和“人—人”交互。高度自主性體現在,網絡環境下創新基地集成平臺上儲存了大量的實驗模式、物理/虛擬實驗儀器儀表、實驗器件或構件、物理/虛擬實驗環境、實時仿真軟件包等,實驗者可以依據實驗大綱,根據自己的需要和興趣,利用虛擬實驗室的實驗模型庫,自由搭接、組合、拆裝實驗框架,自行設計實驗步驟和實驗方法,得到相應實驗結果。廣泛的協同性是網絡環境下創新基地的集成系統平臺是一個可擴展的平臺,任何處于該平臺上的資源都可以相互協同共享,外部資源可以構建相應的協議,也能集成到這個平臺,組成一個更大的平臺,協同虛擬實驗室通過對每個實驗課程所提供的教學資源進行科學有效的組合設計,實現網上實驗教學和協同實驗的目的。

3.具有很強的推廣性

隨著網絡條件和工程技術的成熟,該創新基地模式極易推廣開來。

五、解決的教學問題

1.改善了教學模式:傳統的教學模式僵化、呆板,不利于學生創新能力的鍛煉和提高,網絡環境下機械創新設計開放實驗基地提高了學生的動手能力、實驗組織能力、實際解決問題和分析問題的能力及創新意識的培養。

2.提高了教學實踐手段:通過開放實驗基地的創新培訓、創新技術模擬、技術創新和成果孵化等環節,提高學生的創新意識和能力。

3.解決了實踐教學中實驗設備種類和臺套數不足的問題:通過網絡環境下機械創新設計開放實驗基地可以共享其它單位的軟、硬件資源,提高了資源利用率,降低了成本。

參考文獻:

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基金項目:重慶交通大學實驗教學于改革基金(編號:SYJ200830),重慶交通大學優秀青年骨干教師資助計。