機械設計基礎課程創新能力的培養探討

卿艷梅 王慰祖 汪劉一 甄文斌

（華南農業大學 工程學院，廣東 廣州 510642）

0 引 言

“創新是一個民族進步的靈魂,是國家興旺發達的不竭動力”。隨著經濟的全球化和世界制造業中心向中國的轉移，中國要從世界制造大國變為產品設計制造強國，如何培養具有國際競爭能力的高層次創新人才，是中國高等教育面臨的重大難題，機械工程高等教育工作者也在積極探索培養學生具有工程意識和創新能力[1,2,3]。

機械設計基礎是一門理論性和實踐性強的專業基礎課，也是一門可直接用于生產的綜合性設計課程，它涉及的知識面廣、涵蓋的內容多。它不僅要求學生掌握常用機構和通用零件的基本知識、理論及設計方法，更重要的是培養學生的創新能力與創新思維。本文通過對機械設計基礎理論教學、課程設計、實驗教學及課外機械創新訓練等多個環節的教學改革與學生創新能力的培養做了一定的探討。

1 構建有利于創新能力培養的課堂教學內容和方法

1.1 精心組織教學內容，提高學生學習興趣

機械設計基礎是培養機械類和近機械類學生創新能力的重要課程，它包括機械原理和機械設計兩部分內容，工科學生對于這類專業基礎知識基本可以掌握，但不能靈活運用。其課程特點是內容多而繁雜，與諸多先修課程關系密切，教學內容中涉及到的概念、名詞、公式和圖表等很多，機械設計中要滿足的強度、剛度、壽命、工藝、經濟性、安全性等要求也很多。大部分學生學習中感到內容多且零亂、很難把握重點，學起來較費勁。

因此，教師上課時要理出一條清晰的知識點脈絡：機械原理主要是研究和分析常用機構為主線；機械設計主要是研究和設計通用零件為主線；在課堂教學中，遵循以上兩條主線來組織教學活動，注意所講解知識點的主次分明和它們之間的相互聯系，做到授課內容重點突出。例如對于機械設計部分，都要講授零件的工作原理、受力分析、失效形式、設計準則、材料選擇、強度和剛度的計算及結構設計等多個方面的內容，涉及的內容很多。因此教師可對如此多的相關知識用“魚骨法”在黑板上簡單板書，其各個知識點圍繞著機械零件的設計這一條主線向外延伸，從魚骨圖中學生能清楚了解各種零件設計的內在聯系和邏輯性，消除學生對所學知識的“零亂感”。同時教師在教材內容的取舍上，機械設計理論教學著重于零件的參數選擇、合理的結構設計以及公式的意義和應用，對較深的理論、公式和定義的推導和證明，可有選擇性地介紹其主要思路而不做詳細推導和分析，以便學生重點掌握實用的結論、各參數的含義及其應用，以解決實際設計問題。最后教師教學中還要注意設計方法的橫向比較，指出其差別和適用性，以有利于工程實踐能力和創新能力的培養。

1.2 改革教學方法，注重學生創新思維的培養

在課堂教學組織的過程中，采用啟發性教學，改變過去教師滿堂灌的課堂教學方式，課堂教學中組織開展課堂討論，充分調動學生學習的積極性，旨在培養學生主動提出問題、思考問題及創新的意識。例如在講解平面四桿機構時，通過介紹分析我們熟悉的機構如折疊傘、翻箱機構、公交車車門啟閉機構等，然后進行課堂提問，讓學生自己介紹生活中還有哪些機構屬于鉸鏈四桿機構或是其演化機構及它們都有哪些特點等。通過這樣的課堂教學來訓練學生進行多角度、多方位地思考問題的發散性思維，不斷提高學生的創新思維能力。例如，在講解曲柄搖桿機構和自鎖特性的基礎上，具體介紹了十七屆挑戰杯的參賽作品爬桿機器人，分析了此爬桿機器人如何模仿蛇，利用曲柄搖桿機構來實現一伸一縮的爬桿動作，學生對這些出自學生自己的作品（設計）表現出了濃厚的興趣，讓學生明白原來所學的書本知識可以這樣用到實踐中，同時也有利于學生創新思維的培養。

課堂教學中，為了提高學生學習興趣和主動性，可以從生活的現象中提出問題，引導學生主動思考，然后再介紹相關理論知識。在講解輪系功用中運動的分解時，為培養學生仔細觀察日常生活中的現象和提高分析問題的能力，先舉出我們常見的現象：當汽車一側后輪陷入泥潭后會出現什么現象？如何避免此種弊端？進一步引導啟發學生越野車和軍用車常采用四輪驅動來避免此種情況的發生；而大型工程機械車常會加裝輔助裝置，可將差動輪系暫時鎖住使之成為一個整體（一個構件）來運轉，待車輛越出陷坑后，再解鎖恢復差動輪系的功用。最后介紹裝在汽車后橋上的差動輪系（即差速器）的作用，是為了汽車以不同狀態行駛（直行或轉彎）時，兩后輪能自動改變轉速，同時提出新問題：我們常見的人力三輪車后輪軸上無差速器，如何解決在轉彎時兩后輪應以不同轉速轉動的需要？平時所見人力三輪車轉彎行駛時出現什么現象？同學們對以上兩個問題積極開動腦筋，提出各種不同的答案。最后教師在總結的時候，先叫學生結合剛才的問題仔細看一段視頻，該視頻是學生參加廣東省第一屆大學生工程訓練能力競賽的作品“無碳三輪小車”左右繞行避障的過程，當看完視頻后，學生對剛才的問題又提出了新的見解。最后以“無碳三輪小車”為例，介紹其后輪是單側驅動，即兩后輪其一為驅動輪，另一為空套在后軸上的隨動輪。學生們從課堂教學中體會到創新思維與創新設計其實是與現實生活息息相關的，需要不斷在生活中發現問題與解決問題，并深刻體會到創新與發明無處不在。

課堂上可以借助“一題多解”的方式來培養學生的發散性思維，引導學生從不同角度進行探索思考。例如在課堂上討論核桃剝殼取果仁的原理方案中，運用發散思維，學生踴躍地提出了多種剝殼的原理和方法如砸、壓、夾、外力沖擊等，但是學生都是從加外力使殼裂開或破碎來達到目的，這時引導學生能否跳出常規思維的圈子，于是又有學生提出不同的方法如使殼變脆而變得易碎、溶解殼而核仁不變、殼鉆孔后內部加壓、整體加壓后外壓驟減等，最后分析評價各種方法的優劣，選擇最佳方案。在啟發式課堂教學中, 學生能主動思考問題，收到良好的效果。

此外，課堂教學時可適當介紹有關機械設計及學科發展最前沿的新成果，比如一些新型的機構、新的設計方法等，增加課堂信息量，以拓寬學生的知識面和開闊創新視野，有利于學生創新思維的培養。

2 在實驗和課程設計中加強學生創新意識的培養

2.1 實驗中培養學生創新能力

機械設計基礎實驗課是教學過程中的重要實踐環節，是培養學生理論聯系實際、分析問題的能力及啟迪其創新思維、開拓其創新潛能的重要手段。多年來，在《機械設計基礎》課程的實驗教學中，所開設的實驗多是驗證性實驗，實驗的目的僅停留在對所學理論知識進行驗證或僅僅是為加深對理論知識的理解而開設的。傳統的實驗教學已不能達到創新教育的目的，因此，我校在傳統驗證性實驗的基礎上開設了機構和機械傳動創新設計性和綜合性實驗，學生可通過不同的運動副和構件的組合來搭建各種新型機構，或通過各種常用傳動組件組合成所需的不同傳動方案，經過比較和性能測試，最后選擇最佳的機械傳動方案或機構，從而加強對學生的綜合設計能力和創新能力的培養。

實驗課大部分是安排確定時間學生進行集體實驗。但對于機構陳列室和減速器拆裝實驗，采取半開放式管理，以便于學生隨時觀察和自學。機構陳列室主要展出機器中常見的各類機構的形式和用途、演示機構的基本原理，學生碰到書本中難以理解的機構可以隨時進入機構陳列室觀看模型；在減速器設計中碰到內部結構不清楚的地方，也可隨時進行減速器的拆裝和內部結構的分析，收到了較好的效果。

2.2 課程設計中培養學生創新能力

傳統機械設計基礎課程設計內容是減速器設計，教師給定基本參數和傳動方案，學生利用所學的知識，進行減速器零部件的強度計算、結構設計和完成圖紙繪制等各項內容。由于學生對減速器及其內部結構缺乏感性認識，往往出現照搬圖冊中減速器的結構，而不能綜合考慮零件的強度、剛度、潤滑、密封和裝配等問題，例如有的設計方案中，軸承采用油潤滑，但在裝配圖中卻仿照圖冊采用脂潤滑的密封裝置，而對油潤滑的供油措施未在結構上體現出來。因此照以上方法進行的課程設計很難真正起到培養設計能力、工程實踐能力及創新能力的作用。

機械設計基礎課程設計教學的出發點是加強學生理論分析能力、實踐應用能力和創新能力的培養，注重培養學生發展求異思維和創新思維的一個非常重要的教學環節。機械設計基礎課程設計中的許多問題沒有統一答案，往往比較的是誰的設計更好，課程設計不僅是對課堂講授的理論知識的運用， 更重要是要多聯系實際，注重實踐環節的訓練，把書本所學的理論知識用于實踐。對于減速器的設計，在進行設計之前組織安排學生進行減速器的拆裝實驗，讓學生熟悉幾種典型減速器的整體結構及各部分組成、功能、裝拆、調整、潤滑和密封等， 并給出一系列在設計中可能遇到的問題，讓學生在設計中去發現、探索和解決問題，這樣可以讓學生在設計時會先了解每個零件的工作原理再根據課題的要求進行結構設計，而不會照搬圖冊。

機械設計基礎課程設計題目除了傳統減速器外，還增加一些與工程實際緊密聯系的設計題目，如與教師科研結合起來適當選擇課程設計題目，如“龍眼剝殼去核裝置傳動系統”、“蓖麻剝殼裝置傳動系統”等作為課程設計題目。為了提高學生對課程設計的興趣，增加部分學生自擬題目，在征得教師同意的前提下，少部分學生可自定設計題目和具體方案，這部分設計題目也可直接作為創新設計大賽或是其它競賽的作品。由于有了明確的目標，學生投入精力很大、積極性很高，課程設計收效顯著。機械設計基礎課程設計過程中完成任務主要靠學生自主學習、獨立思考及討論交流,，讓學生真正成為設計的主體，指導教師及時給予引導和啟發，并檢查督促按進度完成相關內容，這樣課程設計就從原來的模仿設計訓練變為思考型設計訓練，以培養學生的創新能力。

在課程設計教學中，指導老師鼓勵學生通過對基本機構和零件進行多方式的組合和變異, 創造出滿足使用要求的新機構，同時鼓勵學生用PRO-E、U G進行三維設計和模擬仿真，讓學生對自己的設計結果進行虛擬驗證并不斷修改完善，大大提高了學生的設計能力和創新能力。

3 課外機械創新訓練中加強創新能力培養

3.1 以創新大賽為契機

機械創新設計大賽是對學生工程實踐能力的一種綜合訓練，是對大學生創新思維和創新能力的一種培養。教育部自2004年起每兩年舉辦一次“全國大學生機械創新大賽”，學校每次都下撥專門經費，學生都踴躍組隊報名參加。在準備設計方案的過程中，學生必須仔細觀察、認真思考及經過反復論證、討論和修改，可行的方案才能最終確定下來。在設計方案制作完成的過程中還會遇到許多不可預知的問題,在不斷發現問題解決問題的過程中，拓展了學生的創造性思維, 提高了學生的創新能力和動手能力。

機械創新設計活動是學生對所學理論知識綜合運用能力的鍛煉，整個過程以學生自行設計和制作為主, 教師進行輔助性指導。從往年的機械創新設計作品來看，很多作品的構思和設計非常新穎、獨特，有較強的創新性，經過機械創新設計大賽的鍛煉, 提高了學生對所學知識的駕馭能力和動手能力，通過機械創新設計大賽帶動學生學習機械設計基礎的積極性和濃厚興趣，取得了較好的效果。

另外，“挑戰杯”全國大學生課外學術科技作品競賽中學生們也是積極組隊參加。每年工程學院舉行的科技文化節上，學生自己設計的機械設計作品也突出了新穎性、創新性。學生們對這些比賽都有著濃厚的興趣，往往會投入最大的熱情潛心鉆研和精心設計，這些對大學生的綜合知識運用能力、工程實踐能力和創新能力的培養起到了很好的鍛煉。

3.2 以科研項目為平臺

機械設計基礎課程一般是在三年級中開設，對于三年級的學生已有一定的先修課及專業基礎知識，因此部分同學非常希望理論知識能用于實踐。但“機械創新設計大賽”、“金工杯”設計大賽及“挑戰杯”等各種比賽由于經費問題，能獲資助參賽的同學并不多，因此有部分同學通過參與教師的科研項目，以此培養大學生的動手能力、工程意識和創新能力。

教師根據科研項目研究的需要和學生個人的特長情況，將經過挑選的同學與其他研究生等組成團隊，以團隊形式參與到教師科研項目中來，團隊的構成在知識結構和專長方面有一定互補性，團隊成員既分工又合作，這樣能讓更多的學生參與到工程實踐中來鍛煉自己和培養其創新能力。

另外，為了培養學生的創新實踐能力, 目前各個高校一般都設有針對本科學生的科研基金，如我校的大學生綜合設計性實驗項目、校級和省級大學生創新實驗項目、大學生創新創業訓練等各種項目。在機械設計基礎的課外機械創新訓練實踐活動中，鼓勵學生積極參與科研項目和創新實驗等項目的申報, 充分利用學校提供的科研條件和科研經費進行科技創新訓練與實踐，不僅能使學生的機械設計水平在實踐中得以提高, 而且可能設計出具有實際應用價值的創新機械產品, 甚至申報專利成果進行推廣應用。

總之, 課外機械創新科技活動既鞏固了課堂所學知識,也拓寬了學生的知識領域和鍛煉多方面的能力，并通過其潛移默化的導向作用, 激勵學生的求知欲、創造欲, 發揮自身內在的潛力。這樣學生對機械設計基礎學習積極性、創新意識和創新能力得到極大的提高。

4 結 論

大學生創新能力的培養需要各方面的共同努力和多環節的培育，機械設計基礎課程教學是其中一個重要的環節，為后續專業課程的教學、實踐及創新人才培養奠定良好的基礎。因此機械設計基礎理論教學中應努力營造一種寬松引導型的教學環境，積極調動學生學習的積極性和創造性；實驗和課程設計中著力培養學生的理論聯系實際分析問題和解決問題的能力、工程意識及創新能力；課外實踐訓練中大力拓寬學生的知識面，將課堂理論教學內容與社會實踐、科研及各類創新大賽有機地結合起來，注重培養學生積極進取的精神和創新的能力，這些都將有利于學生的創新意識和實踐應用能力的培養。

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