改進(jìn)機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)設(shè)備培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力

孔蓉

重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車(chē)工程學(xué)院 重慶 400074

1 引言

創(chuàng)新能力培養(yǎng)包括創(chuàng)新意識(shí)的建立、創(chuàng)新思維方式和創(chuàng)新方法的訓(xùn)練等方面[1]。對(duì)于機(jī)械類(lèi)大學(xué)生而言，機(jī)械原理及實(shí)驗(yàn)就是培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的理想課程。尤其機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)已越來(lái)越多地融入創(chuàng)新思維和創(chuàng)新技能訓(xùn)練的內(nèi)容，不僅要求學(xué)生掌握機(jī)構(gòu)演變創(chuàng)新方法和技能，如機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)變換法、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副變換法、機(jī)構(gòu)同性異型變換法、機(jī)構(gòu)反求變換法等[2]，而且要求學(xué)習(xí)和掌握好這些方法背后的創(chuàng)新思維方式，如發(fā)散性思維、收斂性思維、形象思維、抽象思維、直覺(jué)思維、聯(lián)想思維、類(lèi)比思維、逆向性思維、差異性思維等[3]。

訓(xùn)練思維方式和機(jī)構(gòu)創(chuàng)新技能必須要有良好的實(shí)踐條件，即需要功能較為完善、可以滿(mǎn)足學(xué)生思維和技能訓(xùn)練的機(jī)構(gòu)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。遺憾的是，目前的機(jī)械創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)備要么是單一機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，如凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)臺(tái)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)參數(shù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)等，要么是只能實(shí)現(xiàn)部分機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)的設(shè)備，如平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。即便是機(jī)械系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)，也只能實(shí)現(xiàn)部分機(jī)械系統(tǒng)組態(tài)實(shí)驗(yàn)。因此，機(jī)械創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)備功能的嚴(yán)重不足是機(jī)械專(zhuān)業(yè)大學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力培養(yǎng)的一大障礙。如何改造現(xiàn)有創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)備，增加其功能，是實(shí)驗(yàn)室教師非常關(guān)注的問(wèn)題。本文旨在探討如何改進(jìn)現(xiàn)有機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)設(shè)備功能，改善其創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)效果，有效提高學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐能力等問(wèn)題。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備功能缺陷與改進(jìn)

重慶交通大學(xué)機(jī)械原理實(shí)驗(yàn)室于2006年購(gòu)進(jìn)5臺(tái)平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，供學(xué)生進(jìn)行機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)用。該設(shè)備由創(chuàng)意組合機(jī)械系統(tǒng)搭接綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)、機(jī)構(gòu)構(gòu)件庫(kù)、平面機(jī)構(gòu)多級(jí)組合測(cè)試分析實(shí)驗(yàn)臺(tái)和PC微機(jī)等4個(gè)部分組成，可完成曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、曲柄導(dǎo)桿滑塊機(jī)構(gòu)、曲柄搖塊—齒輪齒條機(jī)構(gòu)、雙曲柄搖塊機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、槽輪機(jī)構(gòu)、齒輪—曲柄搖桿機(jī)構(gòu)、齒輪—槽輪機(jī)構(gòu)等15種機(jī)構(gòu)搭接實(shí)驗(yàn)和運(yùn)動(dòng)測(cè)試分析。該設(shè)備構(gòu)件庫(kù)中配備有齒輪式曲柄、連桿等構(gòu)件，有回轉(zhuǎn)副、移動(dòng)副、齒輪副、齒輪齒條機(jī)構(gòu)、凸輪機(jī)構(gòu)、槽輪機(jī)構(gòu)、皮帶和皮帶輪等基本機(jī)構(gòu)，還配有交流電機(jī)、直流電機(jī)、旋轉(zhuǎn)編碼角位移傳感器、無(wú)觸點(diǎn)擺角傳感器、直線(xiàn)位移傳感器，以及可進(jìn)行高速動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試的PCI數(shù)模轉(zhuǎn)換采集卡等電氣裝置。

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備的功能缺陷

在機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生的發(fā)散思維一旦激發(fā)，就會(huì)提出各種各樣的機(jī)構(gòu)演化方案，希望進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和測(cè)試，證明其可行性。這時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)目前擁有的平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足要求。如設(shè)計(jì)一個(gè)平面二自由度腿關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu)，其中髖關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)中心固定不動(dòng)，代表大腿的構(gòu)件繞該中心作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；代表小腿的構(gòu)件上端與大腿構(gòu)件下端鉸接，作為膝關(guān)節(jié)，并受電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制，轉(zhuǎn)動(dòng)角度和角速度要能被檢測(cè)和分析。但現(xiàn)有機(jī)構(gòu)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)備缺乏可作為膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器的小型可移動(dòng)式電機(jī)，無(wú)法滿(mǎn)足其要求，使實(shí)驗(yàn)不能開(kāi)展，創(chuàng)新想法只能停留在思路和理論上。

再如，有學(xué)生希望觀察四桿機(jī)構(gòu)分別在有1個(gè)、2個(gè)乃至3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副擴(kuò)大演化的情況下，機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件運(yùn)動(dòng)參數(shù)的變化情況，但苦于設(shè)備的構(gòu)件庫(kù)中無(wú)各種尺寸和不同形狀的運(yùn)動(dòng)副可選用，故實(shí)驗(yàn)也無(wú)法實(shí)現(xiàn)。由于該平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備只配備了直線(xiàn)位移傳感器、轉(zhuǎn)角傳感器和擺角位移傳感器三種，在測(cè)取四桿機(jī)構(gòu)的連桿延伸端運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，若該端部軌跡為平面曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，則無(wú)法直接用上述傳感器測(cè)取其軌跡曲線(xiàn)的坐標(biāo)值。

歸納起來(lái)，現(xiàn)有平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)備用于創(chuàng)新能力培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)主要存在的功能問(wèn)題包括：

1）構(gòu)件庫(kù)中，不同種類(lèi)、不同形狀和不同尺寸的構(gòu)件還不夠充足，無(wú)法滿(mǎn)足機(jī)構(gòu)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)多樣性機(jī)構(gòu)的要求；

2）運(yùn)動(dòng)副類(lèi)型、尺寸規(guī)格少，不能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)副演變的機(jī)構(gòu)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)；

3）驅(qū)動(dòng)電機(jī)類(lèi)型太少，尤其缺少小型直流減速力矩電機(jī)，完成多自由度機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)困難；

4）運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量傳感器太少，測(cè)定平面曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)困難。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備的改進(jìn)措施

1）自行設(shè)計(jì)制作部分構(gòu)件，如長(zhǎng)度可調(diào)式連桿構(gòu)件，不同輪廓曲線(xiàn)的盤(pán)型凸輪、柱形凸輪和移動(dòng)凸輪，3～6槽外嚙合槽輪和嚙合槽輪及其撥盤(pán)等，從而使學(xué)生在創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)時(shí)可供任意選擇的構(gòu)件增多，可組合創(chuàng)新的機(jī)構(gòu)也比原設(shè)備設(shè)計(jì)的數(shù)量增加。

2）根據(jù)實(shí)際需要，設(shè)計(jì)制作各種類(lèi)型、多種尺寸、不同形狀的運(yùn)動(dòng)副供實(shí)驗(yàn)選擇。

3）購(gòu)置多種小功率，電壓在12～48 V范圍的直流力矩電動(dòng)機(jī)、反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和直流電磁鐵（小行程位移執(zhí)行器），并配購(gòu)相應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器模塊。

4）增加多路輸出、電壓可調(diào)的直流大功率穩(wěn)壓電源，給電動(dòng)機(jī)、電磁鐵提供驅(qū)動(dòng)電能。

5）為了測(cè)量機(jī)構(gòu)上任意點(diǎn)的軌跡曲線(xiàn)，設(shè)計(jì)加工一種傳感器組合連接器，將直線(xiàn)位移傳感器的外殼底端與旋轉(zhuǎn)編碼角位移傳感器或者擺角傳感器的外殼連接為一體，成為一個(gè)可測(cè)量機(jī)構(gòu)上任一點(diǎn)極坐標(biāo)（轉(zhuǎn)角+徑向位移）的組合傳感器。

6）改進(jìn)原平面機(jī)構(gòu)多級(jí)組合測(cè)試分析系統(tǒng)，新購(gòu)一套數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，與電機(jī)和電磁鐵的驅(qū)動(dòng)裝置一起構(gòu)成新組合測(cè)控系統(tǒng)。

7）重新設(shè)計(jì)和編制實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集處理與分析軟件。

3 完成實(shí)驗(yàn)方案，培養(yǎng)實(shí)踐技能

實(shí)驗(yàn)設(shè)備經(jīng)過(guò)改進(jìn)，功能有所增加，但如何發(fā)揮好設(shè)備的作用，并且能不斷繼續(xù)開(kāi)拓新的功能，就需要好好調(diào)動(dòng)學(xué)生的熱情，提高其主動(dòng)參與機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的積極性。為給學(xué)生創(chuàng)造良好的實(shí)驗(yàn)條件和提供方便，采取一系列措施。

首先，把機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)列為開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生隨時(shí)可以通過(guò)電話(huà)、短信或者電子郵件預(yù)約實(shí)驗(yàn)時(shí)間，盡可能方便學(xué)生開(kāi)展創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)活動(dòng)。

其次，在實(shí)驗(yàn)實(shí)施之前，指導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用一些創(chuàng)新思維方式，結(jié)合機(jī)構(gòu)的演化方法，做好創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，通過(guò)與實(shí)驗(yàn)教師討論，進(jìn)一步完善和修改方案后，再進(jìn)入實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段。

第三，由于學(xué)生思維很活躍，設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)創(chuàng)意方案較多，盡管增加了不少構(gòu)件和實(shí)驗(yàn)裝置，也未必能滿(mǎn)足每個(gè)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。因此，鼓勵(lì)學(xué)生自主地、創(chuàng)新地設(shè)計(jì)構(gòu)件和運(yùn)動(dòng)副，并安排學(xué)生到學(xué)校機(jī)械實(shí)訓(xùn)中心自行完成加工制作。這樣把實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備和機(jī)械加工實(shí)訓(xùn)結(jié)合起來(lái)，不但提高了學(xué)生實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和準(zhǔn)備的能力，而且激發(fā)了學(xué)生積極創(chuàng)新和熱愛(ài)實(shí)踐活動(dòng)的熱情，同時(shí)不斷擴(kuò)充了機(jī)構(gòu)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)備的功能和可以完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

4 訓(xùn)練思維方式，增強(qiáng)創(chuàng)新能力

要能培養(yǎng)好學(xué)生創(chuàng)新能力，除了有良好的設(shè)備條件，實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法和內(nèi)容也不可忽視。為此，修訂機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱，新編實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，增加有關(guān)思維方法知識(shí)和機(jī)構(gòu)創(chuàng)新演化技能的介紹，明確實(shí)驗(yàn)成績(jī)的考核細(xì)則和創(chuàng)新程度評(píng)價(jià)方法，從教學(xué)政策上鼓勵(lì)學(xué)生創(chuàng)新實(shí)踐。

在指導(dǎo)學(xué)生完成機(jī)構(gòu)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，改變過(guò)去單純傳授機(jī)構(gòu)演變技能和方法的教學(xué)模式，而是從培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維方式入手，結(jié)合各種機(jī)構(gòu)創(chuàng)新方法，訓(xùn)練他們的創(chuàng)新能力。

例如，在進(jìn)行機(jī)構(gòu)形變換創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，并非讓學(xué)生直接就實(shí)踐如何通過(guò)選擇不同的構(gòu)件作機(jī)架來(lái)觀察其運(yùn)動(dòng)的不同，或者改變運(yùn)動(dòng)副的形式來(lái)分析運(yùn)動(dòng)的特性，而是首先向?qū)W生介紹發(fā)散思維和收斂思維的概念特點(diǎn)及其應(yīng)用，機(jī)構(gòu)組成的基本元素，構(gòu)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律及條件等基本知識(shí)，然后讓學(xué)生盡可能地運(yùn)用發(fā)散思維找出各種能改變機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方式的因素，如選不同構(gòu)件作機(jī)架，改變運(yùn)動(dòng)副尺寸和形式，選擇不同構(gòu)件作為原動(dòng)件等。并盡可能搭接出所想象的機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，觀察其運(yùn)動(dòng)是否確定及運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)。否則運(yùn)用收斂思維方式改變其機(jī)構(gòu)的構(gòu)成要素，促使運(yùn)動(dòng)確定，并滿(mǎn)足機(jī)構(gòu)主動(dòng)件數(shù)等于運(yùn)動(dòng)自由度的條件，然后測(cè)量在機(jī)構(gòu)上自己所關(guān)心的點(diǎn)位的運(yùn)動(dòng)規(guī)律或者受力情況。

5 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)踐證明，機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，只要有功能較為完善的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，教學(xué)中重視培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和獨(dú)立的實(shí)踐動(dòng)手能力，就能激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)的興趣，并取得良好的實(shí)驗(yàn)效果和提高創(chuàng)新能力培養(yǎng)質(zhì)量。

[1]百度百科.創(chuàng)新能力[EB/OL].http://baike.baidu.com/view/301641.htm.

[2]曲繼方,安子軍,曲志剛.機(jī)構(gòu)創(chuàng)新原理[M].北京:科技出版社,2001.

[3]張維真.現(xiàn)代思維方法的理論與實(shí)踐[M].天津:天津人民出版社,2002.