培養(yǎng)創(chuàng)新能力的機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)課程改革

王莉靜　李建軍　尤洪嶺

摘要 《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程主要由課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)教學(xué)方法組成。首先，對(duì)于目前課程中存在不利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的問(wèn)題進(jìn)行了綜合分析；其次，基于TRIZ，結(jié)合本課程特點(diǎn)對(duì)《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程提出具體的改革措施；最后，經(jīng)過(guò)近兩年的實(shí)踐，取得了良好的效果，驗(yàn)證該改革措施是行之有效的。

關(guān)鍵詞 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)；創(chuàng)新能力：TRIZ理論

中圖分類(lèi)號(hào) G642.0

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

文章編號(hào) 1005-4634（2012）05-0081-03

0 引言

《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》是天津城市建設(shè)學(xué)院非機(jī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生所學(xué)的一門(mén)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，主要研究機(jī)械的常用機(jī)構(gòu)和通用零件的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、基本設(shè)計(jì)理論和計(jì)算方法，具有較強(qiáng)的理論性、實(shí)踐性和應(yīng)用性。現(xiàn)代社會(huì)需要具有創(chuàng)新能力的人才，所以結(jié)合天津城市建設(shè)學(xué)院非機(jī)類(lèi)專(zhuān)業(yè)特點(diǎn)，并針對(duì)本課程特點(diǎn)，提出具體的改革方式來(lái)加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

1 《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程中存在的問(wèn)題

《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程通常采用課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)方式實(shí)施教學(xué)。如今的教學(xué)中存在以下問(wèn)題。

1）教學(xué)內(nèi)容多，課時(shí)少；

2）教學(xué)模式比較陳舊，現(xiàn)代教育手段得不到正確使用；

3）學(xué)生的自主性和創(chuàng)新性差；

4）實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)重理論、輕實(shí)踐；

5）學(xué)生對(duì)課程設(shè)計(jì)的重視度不夠、依賴(lài)性強(qiáng)，無(wú)創(chuàng)新性。

總體而言，現(xiàn)在的學(xué)生會(huì)背書(shū)、有技能，但缺乏創(chuàng)新能力。因此，在《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程教學(xué)中，培養(yǎng)學(xué)生掌握設(shè)計(jì)的基本原理和最新方法，還應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。創(chuàng)新思維的探索在國(guó)內(nèi)外從沒(méi)有停止過(guò)，并已取得許多可喜的成果，如試錯(cuò)法、頭腦風(fēng)暴法、形態(tài)分析法、焦點(diǎn)對(duì)象法、多角度思考法、檢核表法等。但上述創(chuàng)新方法基本以心理機(jī)制為基礎(chǔ)，且邏輯性不嚴(yán)密。TRIZ是前蘇聯(lián)G.enrich S.Altshuller和他的同事，經(jīng)過(guò)50多年對(duì)數(shù)以萬(wàn)計(jì)的專(zhuān)利文獻(xiàn)和自然科學(xué)知識(shí)進(jìn)行研究、整理和歸納，最終建立的一整套系統(tǒng)化的、實(shí)用的、解決發(fā)明問(wèn)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(lái)源于人類(lèi)長(zhǎng)期探索與改造自然的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)，具有嚴(yán)密的邏輯性，而且應(yīng)用的有效性較高。ZLOTIN把知識(shí)從0級(jí)到4級(jí)分為了5個(gè)等級(jí)（0級(jí)最低，4級(jí)最高），不同級(jí)別的知識(shí)可以用于解決不同級(jí)別的問(wèn)題，如表1所示。使用TRIZ理論解決問(wèn)題時(shí)，其步驟如圖1所示。

2 《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程改革措施

充分考慮天津城市建設(shè)學(xué)院教學(xué)的實(shí)際情況和本課程特點(diǎn)，基于TRIZ，對(duì)《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程提出具體的改革措施。

1）優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，構(gòu)建培養(yǎng)創(chuàng)新能力的教學(xué)體系。（1）選取來(lái)源于現(xiàn)實(shí)生活的教學(xué)素材，并使教學(xué)內(nèi)容貼近非機(jī)類(lèi)各專(zhuān)業(yè)方向；（2）傳統(tǒng)和現(xiàn)代技術(shù)手段相結(jié)合，注重教師的引導(dǎo)作用，采用學(xué)生的融入式教學(xué)；（3）融入TRIZ理論，如講解齒輪機(jī)構(gòu)在當(dāng)今國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生采用TRIZ理論中40個(gè)發(fā)明原理中的問(wèn)題模型進(jìn)行分析：應(yīng)用最廣的是直齒漸開(kāi)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(zhǎng)度的斜齒，即斜齒輪。但斜齒輪在傳動(dòng)過(guò)程中，易產(chǎn)生對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)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(fù)雜。同時(shí)，講解齒輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及其在生活中的應(yīng)用時(shí)，穿插TRIZ理論及其有關(guān)的創(chuàng)新實(shí)例，并讓學(xué)生在課堂及課后應(yīng)用TRIZ理論進(jìn)行思考，啟發(fā)學(xué)生在原有基礎(chǔ)上不同角度的創(chuàng)新。

2）優(yōu)化實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。（1）組織學(xué)生拆裝與專(zhuān)業(yè)相關(guān)的機(jī)器，為學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)課打下良好基礎(chǔ)；（2）開(kāi)設(shè)創(chuàng)新性和綜合性實(shí)驗(yàn)…，如機(jī)構(gòu)創(chuàng)意設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，主要對(duì)常見(jiàn)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)意組合，由學(xué)生自己設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)用途和機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，再根據(jù)其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖搭建機(jī)構(gòu)，并分析其合理性。在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可使用TRIZ理論中的合并、分割、嵌套、替代等發(fā)明原理，解決設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)如何達(dá)到機(jī)構(gòu)功能的要求；（3）從各自專(zhuān)業(yè)出發(fā)，鼓勵(lì)學(xué)生構(gòu)想出一些新的機(jī)構(gòu)、機(jī)器或?qū)ΜF(xiàn)有機(jī)器的不合理部分提出改革設(shè)想，然后進(jìn)行設(shè)計(jì)并付諸實(shí)施。

3）改革課程設(shè)計(jì)的教學(xué)模式，加強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)。（1）組成興趣設(shè)計(jì)小組，讓學(xué)生在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)現(xiàn)有的問(wèn)題提出創(chuàng)新性解決方案；（2）TRIZ理論中的39個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)與機(jī)械產(chǎn)品有著非常密切的關(guān)系，所以，課程設(shè)計(jì)中要以學(xué)生為主，教師只起指導(dǎo)作用，引導(dǎo)學(xué)生將TRIZ理論中的39個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)應(yīng)用到課程設(shè)計(jì)中，為以后的實(shí)踐性工作打下基礎(chǔ)；（3）重視答辯。

4）構(gòu)建第二課堂，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。結(jié)合專(zhuān)業(yè)優(yōu)勢(shì)，鼓勵(lì)學(xué)生積極參與教師課題和各級(jí)挑戰(zhàn)杯及創(chuàng)新大賽。（1）參與教師課題，使學(xué)生接觸學(xué)術(shù)發(fā)展的尖端知識(shí)，并增加他們的求知欲和探索欲；（2）對(duì)于各種競(jìng)賽活動(dòng)，采用自主研究模式，即由教師指導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用TRIZ理論提出問(wèn)題和解決問(wèn)題，搜集資料制定研究計(jì)劃，最后提交研究成果（論文或生產(chǎn)成品）。自始至終，指導(dǎo)教師不應(yīng)直接參與其中，更不應(yīng)把自己的觀點(diǎn)強(qiáng)加給學(xué)生，只在必要時(shí)給予一定的技術(shù)指導(dǎo)。

在參加天津市高校第二屆機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽的時(shí)候，學(xué)生提出問(wèn)題：出門(mén)需帶東西多時(shí)，只有拉桿箱和塑料袋為伴，可是塑料袋提東西重了手會(huì)疼，拉桿箱拖東西輕松，但是不方便攜帶。這個(gè)問(wèn)題屬于TRIZ理論中的物理沖突，即為了實(shí)現(xiàn)某種功能，一個(gè)子系統(tǒng)或元件應(yīng)具有一種特性，但是同時(shí)出現(xiàn)了與該特性相反的特性?，F(xiàn)在要求既能載重物，又要攜帶方便。在TRIZ理論中，Mann曾經(jīng)提出：解決物理沖突的分離原理與解決技術(shù)沖突的發(fā)明原理之間存在關(guān)系，對(duì)于一條分離原理，可以有多條發(fā)明原理與之對(duì)應(yīng)，如表2所示。

所以，上述問(wèn)題屬于時(shí)間分離，根據(jù)表2中的發(fā)明原理15動(dòng)態(tài)化：使一個(gè)物體或其環(huán)境在操作的每一個(gè)階段自動(dòng)調(diào)整，以達(dá)到優(yōu)化的性能。按照此原理，學(xué)生設(shè)計(jì)了多功能小拖車(chē)，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(chē)功能如下：

（1）拉桿的伸縮設(shè)計(jì)（如圖3）。伸縮設(shè)計(jì)可自由調(diào)節(jié)拉桿長(zhǎng)度，當(dāng)老人使用時(shí)，調(diào)節(jié)到拐杖的長(zhǎng)度，用于老人暫時(shí)的站立休息；

（2）底板旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)（如圖3）。底板沿水平面旋轉(zhuǎn)90度與拉桿成一條直線，拖車(chē)可被折疊；

（3）底板腿的伸縮設(shè)計(jì)（如圖4）。底板腿的伸縮設(shè)計(jì)使拖車(chē)折疊成小板凳，走路累的時(shí)候可以坐在上面休息。

3 結(jié)束語(yǔ)

將上述改革措施應(yīng)用到天津城市建設(shè)學(xué)院各專(zhuān)業(yè)的《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程教學(xué)中，經(jīng)過(guò)近兩年的實(shí)踐，取得了良好的效果。

1）充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生學(xué)習(xí)《機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》課程的積極性和求知欲，提高了教學(xué)質(zhì)量；

2）提高了學(xué)生分析問(wèn)題與解決問(wèn)題的能力，為專(zhuān)業(yè)課程的學(xué)習(xí)打下了良好的基礎(chǔ)；

3）推動(dòng)了學(xué)生第二課堂的建設(shè)，充分發(fā)揮了第二課堂對(duì)學(xué)生素質(zhì)培養(yǎng)的輔助作用，同時(shí)又為學(xué)生的創(chuàng)新成果提供了驗(yàn)證手段和平臺(tái)；

4）培養(yǎng)了學(xué)生的現(xiàn)代工程意識(shí)，使學(xué)生在增加感性認(rèn)識(shí)的同時(shí)，更能深刻了解工程實(shí)踐，促進(jìn)學(xué)生工程實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力等綜合素質(zhì)的培養(yǎng)和提高。