培養創新能力的機械設計基礎課程改革

王莉靜　李建軍　尤洪嶺

摘要 《機械設計基礎》課程主要由課堂教學、實驗和課程設計教學方法組成。首先，對于目前課程中存在不利于培養學生創新能力的問題進行了綜合分析；其次，基于TRIZ，結合本課程特點對《機械設計基礎》課程提出具體的改革措施；最后，經過近兩年的實踐，取得了良好的效果，驗證該改革措施是行之有效的。

關鍵詞 機械設計基礎；創新能力：TRIZ理論

中圖分類號 G642.0

文獻標識碼 A

文章編號 1005-4634（2012）05-0081-03

0 引言

《機械設計基礎》是天津城市建設學院非機類專業學生所學的一門專業基礎課，主要研究機械的常用機構和通用零件的工作原理、結構特點、基本設計理論和計算方法，具有較強的理論性、實踐性和應用性。現代社會需要具有創新能力的人才，所以結合天津城市建設學院非機類專業特點，并針對本課程特點，提出具體的改革方式來加強學生創新能力的培養。

1 《機械設計基礎》課程中存在的問題

《機械設計基礎》課程通常采用課堂教學、實驗和課程設計方式實施教學。如今的教學中存在以下問題。

1）教學內容多，課時少；

2）教學模式比較陳舊，現代教育手段得不到正確使用；

3）學生的自主性和創新性差；

4）實驗教學環節重理論、輕實踐；

5）學生對課程設計的重視度不夠、依賴性強，無創新性。

總體而言，現在的學生會背書、有技能，但缺乏創新能力。因此，在《機械設計基礎》課程教學中，培養學生掌握設計的基本原理和最新方法，還應注重培養學生的創新能力。創新思維的探索在國內外從沒有停止過，并已取得許多可喜的成果，如試錯法、頭腦風暴法、形態分析法、焦點對象法、多角度思考法、檢核表法等。但上述創新方法基本以心理機制為基礎，且邏輯性不嚴密。TRIZ是前蘇聯G.enrich S.Altshuller和他的同事，經過50多年對數以萬計的專利文獻和自然科學知識進行研究、整理和歸納，最終建立的一整套系統化的、實用的、解決發明問題的理論和方法體系。TRIZ理論的原理、法則、程序、步驟、措施等，來源于人類長期探索與改造自然的實踐經驗的總結，具有嚴密的邏輯性，而且應用的有效性較高。ZLOTIN把知識從0級到4級分為了5個等級（0級最低，4級最高），不同級別的知識可以用于解決不同級別的問題，如表1所示。使用TRIZ理論解決問題時，其步驟如圖1所示。

2 《機械設計基礎》課程改革措施

充分考慮天津城市建設學院教學的實際情況和本課程特點，基于TRIZ，對《機械設計基礎》課程提出具體的改革措施。

1）優化教學內容，構建培養創新能力的教學體系。（1）選取來源于現實生活的教學素材，并使教學內容貼近非機類各專業方向；（2）傳統和現代技術手段相結合，注重教師的引導作用，采用學生的融入式教學；（3）融入TRIZ理論，如講解齒輪機構在當今國內外的發展狀況時，引導學生采用TRIZ理論中40個發明原理中的問題模型進行分析：應用最廣的是直齒漸開線齒輪，但其壽命短、承載能力有限。因此，人們嘗試在同樣厚度的齒輪上，增加接觸線長度的斜齒，即斜齒輪。但斜齒輪在傳動過程中，易產生對傳動系統不利的軸向分力，所以，誕生了人字齒輪，可是人字齒輪的加工復雜。同時，講解齒輪機構的設計及其在生活中的應用時，穿插TRIZ理論及其有關的創新實例，并讓學生在課堂及課后應用TRIZ理論進行思考，啟發學生在原有基礎上不同角度的創新。

2）優化實驗內容，培養學生創新能力。（1）組織學生拆裝與專業相關的機器，為學習專業課打下良好基礎；（2）開設創新性和綜合性實驗…，如機構創意設計實驗，主要對常見的機構進行創意組合，由學生自己設計機構用途和機構簡圖，再根據其機構簡圖搭建機構，并分析其合理性。在實驗中，學生可使用TRIZ理論中的合并、分割、嵌套、替代等發明原理，解決設計的機構如何達到機構功能的要求；（3）從各自專業出發，鼓勵學生構想出一些新的機構、機器或對現有機器的不合理部分提出改革設想，然后進行設計并付諸實施。

3）改革課程設計的教學模式，加強學生創新設計能力的培養。（1）組成興趣設計小組，讓學生在設計過程中對現有的問題提出創新性解決方案；（2）TRIZ理論中的39個標準工程參數與機械產品有著非常密切的關系，所以，課程設計中要以學生為主，教師只起指導作用，引導學生將TRIZ理論中的39個標準工程參數應用到課程設計中，為以后的實踐性工作打下基礎；（3）重視答辯。

4）構建第二課堂，培養學生的創新能力。結合專業優勢，鼓勵學生積極參與教師課題和各級挑戰杯及創新大賽。（1）參與教師課題，使學生接觸學術發展的尖端知識，并增加他們的求知欲和探索欲；（2）對于各種競賽活動，采用自主研究模式，即由教師指導學生應用TRIZ理論提出問題和解決問題，搜集資料制定研究計劃，最后提交研究成果（論文或生產成品）。自始至終，指導教師不應直接參與其中，更不應把自己的觀點強加給學生，只在必要時給予一定的技術指導。

在參加天津市高校第二屆機械創新設計大賽的時候，學生提出問題：出門需帶東西多時，只有拉桿箱和塑料袋為伴，可是塑料袋提東西重了手會疼，拉桿箱拖東西輕松，但是不方便攜帶。這個問題屬于TRIZ理論中的物理沖突，即為了實現某種功能，一個子系統或元件應具有一種特性，但是同時出現了與該特性相反的特性。現在要求既能載重物，又要攜帶方便。在TRIZ理論中，Mann曾經提出：解決物理沖突的分離原理與解決技術沖突的發明原理之間存在關系，對于一條分離原理，可以有多條發明原理與之對應，如表2所示。

所以，上述問題屬于時間分離，根據表2中的發明原理15動態化：使一個物體或其環境在操作的每一個階段自動調整，以達到優化的性能。按照此原理，學生設計了多功能小拖車，鋁合金材料，折疊前尺寸為95×35cm，折疊后尺寸為40×35cm，如圖2所示。小拖車功能如下：

（1）拉桿的伸縮設計（如圖3）。伸縮設計可自由調節拉桿長度，當老人使用時，調節到拐杖的長度，用于老人暫時的站立休息；

（2）底板旋轉設計（如圖3）。底板沿水平面旋轉90度與拉桿成一條直線，拖車可被折疊；

（3）底板腿的伸縮設計（如圖4）。底板腿的伸縮設計使拖車折疊成小板凳，走路累的時候可以坐在上面休息。

3 結束語

將上述改革措施應用到天津城市建設學院各專業的《機械設計基礎》課程教學中，經過近兩年的實踐，取得了良好的效果。

1）充分調動了學生學習《機械設計基礎》課程的積極性和求知欲，提高了教學質量；

2）提高了學生分析問題與解決問題的能力，為專業課程的學習打下了良好的基礎；

3）推動了學生第二課堂的建設，充分發揮了第二課堂對學生素質培養的輔助作用，同時又為學生的創新成果提供了驗證手段和平臺；

4）培養了學生的現代工程意識，使學生在增加感性認識的同時，更能深刻了解工程實踐，促進學生工程實踐能力、創新能力等綜合素質的培養和提高。