依托國家級實驗教學示范中心強化學生機械設計創新能力培養

竺志超，王 勇，祝洲杰

（浙江理工大學機械基礎實驗教學中心，浙江 杭州 310018）

競爭是市場經濟存在的基礎，廣泛存在于各行各業之中，然而競爭的關鍵在于創新。創新是一個民族進步的靈魂，是國家興旺發達的不竭動力[1]。對企業來說，創新是企業的靈魂，是企業核心競爭力的來源。因此，對于擔負三大功能的高校而言，創新性人才的培養應該是高校的中心工作。

高校創新性人才應該具備3個基本要素：即扎實的專業知識、優良的創新能力和強烈的創新意識。相應地在創新性人才培養上，應從理論知識教學、創新能力鍛煉和創新意識培養三方面著手。

其中創新能力，應該正確理解為創新思維能力和創新實踐能力的總和，即創新能力=創新思維能力+創新實踐能力，一個是“想”，一個是“做”。凡是能想出新點子、創造出新事物、發現新路子的思維，都屬于創新思維，是創新實踐和創造力發揮的前提。一切需要創新的活動都離不開思考，離不開創新思維，可以說，創新思維是一切創新活動的開始。工科學生的創新思維也是一種高度工程化的思維，因此市場意識、成本意識、能源和環境意識，是工程創新必須接受的制約因素[2]。

而創新實踐，則是通過創新思維得出的創新方案或思路，在實際中的實施，以獲得創新結果的活動，其最終使創造力得以展示。沒有實踐，好的想法就無法轉換成現實。只會“想”，不會“做”，工程創新思維就無法變成工程現實，從事工程活動所追求的建構新的存在物，就無法突破。所以，創新實踐必須看作高校工科人才培養的關鍵，在教學各相關環節都要強化實踐，保證學生寬泛知識面的獲得與創新能力的增強在工程實踐中達到平衡，促進協調發展。

目前，我國普通高校的工科大學生，由于長期受應試教育的影響，與歐美等教育發達國家學生相比，其應試能力具有很大優勢，但在動手能力與創新能力等方面，卻明顯處于劣勢，主要表現在缺乏創新思維能力、缺乏創新技能、缺乏創新毅力、不善于利用和創造條件等方面[3]。這嚴重影響了高等工程教育培養品質，阻礙了國家科技實力的發展提高，所以，工程創新教育的改革，已是刻不容緩。

1 實驗室與創新人才培養的關系

實驗室是發現、發明和工程創新的搖籃。一方面，實驗室是創新人才培養的重要基地，實驗教學是創新能力和創新意識培養的重要手段。學生的知識、理論、技能需通過實踐來理解、掌握和鍛煉，學生創新能力，以及科學態度、協同能力等創新意識需要在實驗、實踐中培養。另一方面，大量的發現、發明也是來自于實驗室的試驗、實驗活動[4~5]。歐美國家十分重視實驗室建設，美國的很多著名大學都擁有國家實驗室，如設在麻省理工學院的林肯實驗室，加州理工學院的噴氣推進實驗室，加州大學的勞倫斯伯克利實驗室等，并出了很多諾貝爾獎獲得者。可見，實驗室在創新人才培養中的地位和作用是十分顯著的，是衡量學校辦學實力和人才培養質量的標志。

在新形勢下，普通高校應該正確認識實驗室地位，加強實驗室建設，發揮實驗平臺在創新人才培養中的積極作用。對于工科大學生來說，實驗室是非常重要的學習場所，不僅課堂學到的知識需要通過實踐活動消化吸收（理解）和掌握（會用），而且工程創新活動需要借助實驗平臺的支撐，并且在實踐中鍛煉創新能力，在實踐中培養創新意識[6~8]。然而普通高校當前普遍存在著重視課堂教學、驗環節相對偏弱、創新教育不夠重視以及教學工程背景弱化、教學內容與工程需求脫節、學生難以學以致用等諸多問題。這些問題造成高校學生缺少最基礎的工程能力，如畢業設計時反映出學生無從下手，基礎知識不會綜合應用；就業時反映出學生的工程經驗缺乏，脫離實際。同時，這些問題也嚴重影響了學生創新能力的培養。

因此，我們提出，作為機械專業的幾門主干課程，在機械設計學科相關系列課程教學中，要充分利用實驗室的功能，關注學生工程創新能力的培養。

2 實驗室創新實踐環境的構建

作為實驗中心，要更好地發揮在創新人才培養中的作用，首要是創造良好的創新實踐環境，包括軟硬件條件。比如提升中心教學理念、對實驗教學體系、課程體系以及實驗教學模式等方面，進行全方位的改革，實行開放管理機制等。

以浙江理工大學國家級機械基礎實驗教學示范中心為例。中心建立了8個功能實驗室，尤其是動平衡特色實驗室、虛擬現實實驗室、仿真實驗室等等，設備先進，軟件一流，符合工程化教學要求。在此基礎上，提出以學生知識綜合應用能力、工程實踐能力和創新能力“三個能力”培養為主線，全方位開放，最大限度地滿足學生全面發展和個性化發展需要的先進實驗教學理念。為此，建立滿足“三個能力”培養需要的“2+2”四模塊實驗教學新體系（圖1），建立常規實驗教學、工程實訓、創新活動“三位一體、四層面并舉”的多元化實驗教學新模式，實現了“常規教學與個性培養、課內實驗與課外實踐、實驗教學與新技術培訓相結合”的三個結合，并取得了良好的效果，獲2009年浙江省第六屆高等教育教學成果一等獎。

圖1 “三個能力”培養的四模塊實驗教學體系

3 實驗中心的學生機械設計創新能力培養

3.1 從機械設計認知規律分析，加強實踐性，強化動手環節

扎實的理論知識，是機械設計創新所必須的。從認知規律（圖2）分析，機械設計創新能力的培養，首要是加強實踐強化動手環節，通過動手，理解知識原理，掌握理論應用。機械設計對象是實物，是具體的，而機械設計的很多概念卻是抽象的，如機械原理齒廓包絡線概念，要理解會應用，需要通過動手實踐，才能變成真正掌握的知識和經驗（即內化），并且記憶深刻。

另外，對于機械設計創新能力培養而言，動手能力是創新實踐所必須的。基本的動手操作訓練是必不可少的，這些訓練不是為了練就學生在某個方面的熟練技能，而是為他們的技術集成和創新思維發展，提供一些經驗。

圖2 認知的一般規律

圍繞學生動手實踐的要求，中心有針對性地開設一系列的課內實驗和課外開放實驗與培訓。如中心開設的典型機械認知與方案創新實驗，以典型行業機械為實驗對象，從功能分析、方案設計到開箱比對，運動簡圖和工作循環圖繪制，鍛煉學生設計的系統性與工程化，訓練學生的觀察能力、動手能力和知識綜合應用能力，同時讓學生接觸了解典型行業設備及原理，拓寬知識面，積累集成創新經驗。又如中心新開發一批創新性實驗教學項目，如方案創新的傳動實驗、模式可變的飛輪實驗、項目驅動的工程材料實驗、非接觸的CCD技術測量實驗等等，進行開放式管理，無一不是體現了既強化學生動手，又展示創新特色的綜合性實驗。此外，中心為滿足現代工業的發展對應用創新型人才的需求，開展新技術和新技能的培訓，如三維CAD應用工程師培訓、CAXA工程師資格認證培訓、ADAMSANSYS培訓、機械設計工程師培訓、數控工藝培訓、機電一體化職業技能培訓、工業自動化技能人才培訓等，強化動手，掌握技能，為工程創新打好基礎。

3.2 從機械設計學科特點分析，加強工程性，強化工程素質

機械設計主要面向機電產品開發，學科的實踐性、工程性很強，因而創新教學的關鍵之一，應該在于落腳到工程應用與設計。如果學生連工程應用、工程設計都不會，就更不可能在工程領域進行創新活動。因此，在教學中迫切需要加強教學的工程性，提高學生工程能力。

當前普通高校工程教育的價值取向，缺乏工程化特色，由此導致教學的工程弱化，學生工程素質不高。許多工程類專業教學不僅仍在沿用純理科的教學模式，簡單地用科學思維代替工程思維，追求科學真理代替追求工程最佳，而且廣泛使用計算機模擬來取代工程實踐，夸大計算機模擬的作用。現在學生做一個設計，用計算機模擬一下就結束，帶給學生的這種經驗，在工程上與實際差距較大。還有大學工科教師大都是從校門到校門，最缺乏的就是工程實踐的知識、經驗和素養[2]，導致學校所教和企業所需存在脫節。

另外，學校在培養人的觀念上與現實存在差距。學校側重培養學生的發展潛力，而忽略了企業用人規則，也就是即聘即用。這些問題造成普通高校人才培養模式和企業用人需求脫節，企業對學校人才培養的滿意度不夠高。

為此，筆者認為對加強機械設計教學的工程化，需要采取一些實質性的措施，提出與工程“零距離”的教學模式，即教學要素工程化，包括教材（教學內容）、教學設備、教學方法和手段以及教師的施教等。例如實驗教學內容工程化，案例多取工程實例，如以絲織機等實際機械設備為對象的機構運動參數測量、企業零部件與企業級動平衡機進行動平衡、實驗教學軟件與企業主流軟件接軌等；多采用現場教學，少用虛擬手段；強化校外實踐基地建設，聘請兼職工程師擔任實踐性環節指導教師，結合他們豐富的實際工作經驗授課，并培養青年教師；學生直接參與企業橫向課題研究等。這些措施在機械設計教學工程化方面，起到了積極作用，學生評價好。

3.3 從機械設計創新過程分析，加強思維訓練，強化創新能力

機械產品的創新設計，從原理、方案到結構設計最后到產品，整個過程（圖3）是非常復雜的，其中包括功能原理、設計方法等，涉及的學科面廣，技術集成度高。產品要創新，尤其是原理創新，需要設計師具備很強的創新思維能力，掌握一定的創新技法。機械設計的創新，實際上就是根據已知需求探尋最佳的設計方案，有時是功能原理上創新，有時是技術集成創新，需要綜合考慮工程的系統性、集成性、建構性、創新性，所涉及的知識除專業知識外，還有與人、社會、自然環境等關系方面的，還包括設計的技術經濟評價，整個創新過程也會遇到意想不到的困難，而創新思維能力在整個創新過程中，起到關鍵作用。

圖3 機械設計的創新過程與創新素質

在當今社會，企業的競爭就是產品的競爭，產品競爭的核心就是創新人才。因此，機械設計創新人才的培養，是高校工程教育的重要職責，創新教育是專業教育的重要組成部分。而創新無處不在，人人可以創新，需要培養機械相關專業學生有強烈的創新意識，創新沖動，以創新為樂；同時創新是有規律的，學生必須學習創新技法，掌握創新技能，訓練創新思維，突破創新障礙。沒有創新意識和創新技能，也不可能有良好的創新思維能力。

3.4 以多種載體形式，舉辦系列機械設計創新活動

為了提高學生的創新思維能力，培養創新意識，訓練創新技法，中心以多種載體形式，舉辦了機械設計系列創新活動。

（1）創新與應用綜合訓練。利用國家級示范中心平臺和本身的資源優勢，在教學計劃外創辦創新與應用實驗班，聘請全校最優秀的相關老師以及企業工程師授課。實驗班教學內容體系分基礎訓練、專業訓練和專業實踐3個層次，共分3個學期完成。其中基礎訓練層次，包括創新思維和方法、機電系統創新實例講座；專業訓練層次，包括機械創新設計與訓練和機電創新設計與訓練；專業實踐層次，則包括下述的科研和各項學生科研訓練計劃的實踐與訓練等。

（2）項目驅動促訓練。中心組織學生以小組的形式，參與中心教師的橫向科研項目，申報省科技廳支持的新苗計劃（學生項目），參加機械學科相關競賽和挑戰杯活動等，另外中心在學校支持下，發起組織科研訓練計劃（2008至2009年間共資助了14個學生科研訓練計劃）。

（3）學生自主學習活動。中心通過宣傳引導，以學生申請、老師指導、學生實施、完成專題自主學習及總結評價的過程，組織學生社團（經學校批準的學生自主活動）、興趣小組（針對感興趣的主題自己組隊）等形式，參與機械設計的創新活動。如慧魚社團，學生自行管理中心的慧魚創意模型室，已連續組織了共5屆創意模型大賽，成為校星級社團，并于2010和2007年分獲全國大學生機械創新設計大賽慧魚組一、二等獎。

4 結束語

學生機械設計創新能力培養，對于提高機械類學生的綜合素質以及學生擇業的競爭力，都有很大的幫助。浙江理工大學機械基礎實驗教學中心，依托國家級示范中心的大平臺，以“三個能力”培養為主線，在學生的創新能力培養方面，深化創新教學改革，并從加強實踐、加強工程化和加強創新思維訓練等方面著手，推出了一些針對性措施，已取得了良好的成效。

[1]江澤民..論科學技術[M].北京：中央文獻出版社，2001.

[2]姜嘉樂.工程教育永遠要面向工程實踐——萬鋼校長訪談錄[J].高等工程教育，2006，（4）：1-7.

[3]帥玉妹.大學生機械設計創新能力的培養思路[J].中國西部科技，2009，8（31）：58-59，61.

[4]王興邦.面向21世紀我國實驗室的建設與管理[Z].高校實驗教學改革與實驗室管理創新研討班講話，西寧.2010.7

[5]郭恩棉.淺談新時期實驗室工作的作用和地位[J].中國現代教育裝備，2008，（9）：89-90.

[6]羅正祥.理論基礎與工程實踐并重，培養創新型人才[J].實驗技術與管理，2006，23（2）：1-4.

[7]馮啟明.加強實踐教學，培養學生工程實踐與創新能力[J].高教研究，2007，84（3）：47-49.

[8]周作元，李景奇，王興邦，等.處于世紀之交的高校實驗室工作的地位與改革思路[J].實驗技術與管理，1998，15（1）：1-8.