機械原理及設計創新型教學的研究與實踐

摘要：通過機械原理及設計課程的教學實踐，提出了利于創新能力培養的教學方法和手段，并對如何激發學生創新潛能，培養學生創新思維和創新能力進行了探討。實踐中切實有效地開展創新能力設計教學，培養學生的創新設計能力和解決實際問題的能力。

關鍵詞：機械；創新能力；培養

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2013）41-0225-02

機械原理及設計是高等院校機械類專業重要的專業技術基礎課，是對學生進行設計能力、創新能力、工程意識訓練的主要課程，對學生學習專業課程起承上啟下的重要作用。近年來，隨著課程體系的改革和深化，課程內容在不斷更新和增加，課時卻在不斷減少，學時與內容之間的矛盾較突出。機械原理及設計又是我校省級精品課程，根據國家教育部提出的高等工程教育應適應21世紀人才需要的培養目標，本課程體系、教學內容、教學手段及實踐教學等改革勢在必行。作者經多年《機械原理及設計》、《機械設計基礎》課程的教學實踐，對如何在有限的學時內向學生講授更多、更新的本學科知識和信息，更好地培養學生分析解決問題的能力，培養工程意識和創新能力，進行了一些探索和嘗試。

一、國內外的機械創新設計能力培養概況

國外高校很重視學生創新能力的培養。課程體系上，設置相關創新設計課程和實踐環節，建立創新實驗室；在教學方法上，采取項目研究式的教學模式，其特點是：（1）強調通才教育，專業基礎寬。（2）注重實踐教學，學生須參加科研創新活動，并獲得科研學分，培養了學生的工作能力、創新能力與組織能力。我國高校創新設計能力培養同西方發達國家相比，還有差距。目前，教育領域存在著一些不科學的教育觀念與教育方法。以考試為手段，以分數為考量的應試教育，使教師和學生陷入十分苦惱的境地。它嚴重制約著教育、教學質量的提高，只能培養出高分低能的不合格品。教師在課堂上只重灌輸，不重思考，在教學實踐中不去揭示假說，只是驗證假說，使得學科知識與科學實踐脫節。學生被動接受大量知識，教學效率不高，加上學生學習目標不明確，被動學習，使學生對學習漸漸缺乏興趣，甚至產生抵觸情緒。盡管我們也意識到了當前教育的弊端，也開展了如大學生機械創新設計大賽等科研活動，但教學方法、手段的限制，如實驗條件、設施的陳舊，綜合性實驗少，學生動手機會少，教學手段單一，高校仍存在重視理論知識傳授，忽略創新能力與實踐能力培養的現象。

二、樹立正確的教育觀念是創新能力培養的前提

只有具有創新精神的教師進行創造性教學，才能培養出創造型的人才。培養學生的創新意識和創新精神，關鍵在于教師。教師自身的素質已成為高等教育發展的重要因素。作為教師，必須做到與時俱進，及時了解和掌握本學科最新科技動態，積極開展專業研究，并鉆研教材，改革教學內容，掌握各種教學方法，不斷豐富和提高自身的教書育人水平。教師要自覺把學生創新能力的培養和提高與教學活動相結合，在教學中善于激發學生好奇心、創造欲、求知欲，使其在掌握理論的過程中，發展自學能力、思維能力和實踐能力，敢于求新、求異。

三、努力提升教學質量

機械原理及設計具有一定的系統性，更偏重實踐。課程重點是常用機構、通用零件的類型、特點、工作原理、失效形式及設計準則。但難點是與工程實踐相結合，需要一定的理論基礎，還涉及許多實踐性問題，就要求靈活采用多種教學方法。

1.重視課堂教學方法和手段。教學實踐中，多媒體技術已普遍應用。本課程具有信息量大、圖片動畫多等特點，采用多媒體教學生動直觀，教師把教學內容制成課件，除課堂講授外，還可掛在網上利于學生自學。教學中常展示機械原理圖、三維立體圖，有助于學生加深理解，利用多媒體既節約了時間又取得了很好的教學效果，起到事半功倍的作用。例如機構中周轉輪系的運動、軸系設計與減速器裝拆，由于有運動與三維演示，學生很容易理解其工作原理，并記憶深刻。還可以根據課堂反應情況，重現一些視頻，讓學生了解某些參數的改變對過程、結果的影響。課程講授與課件制作過程中，注意引入適應機電一體化產品設計要求的、反映本學科最新科技成果的相關概念與知識。增加新機構、新傳動和機器人設計的內容，加強機構系統設計中機構創新設計理論及方法的內容，以利于培養學生的工程實踐能力和創新設計能力。靈活采用多種教學方式，充分采用互動式教學、啟發式教學和課堂討論教學等多種方法相結合，調動學生的學習積極性，以取得較好的教學效果。

2.加強實驗教學環節。學生將學過的知識通過思考付諸于實踐環節是培養學生創新能力的根本。可分步進行認識、分析和創新設計訓練。首先讓學生參觀機械實物和創新實例，了解并認識機械。其次對學生進行綜合訓練專題教學和“機械分析”實踐教學，要求學生對機械案例提出有新意的改進方案。最后完成從原理方案到參數、結構設計的機械設計訓練，以提高其綜合能力和創新能力。貫穿課程教學，我們開設“機械創新設計實驗”、“機器人創新設計”、“實用機構設計”、“機械傳動方案設計”等多個綜合實驗，結果學生創新能力大大提高了，也提高了整體教學效果。

3.加強課外科技創新指導。鼓勵學生參加各種大學生科研活動，作者指導了數位學生的科技創新實踐，如6足爬行機器人的成功設計。通過科研實踐，調動了學生的科研積極性，通過創新設計把知識綜合應用，學習目的也明確了，會主動去學習課內、課外的相關知識，開拓了知識面，也加深了對專業的理解。指導學生創新時應掌握一些技巧和方法，如類比法，培養學生從事物間相似處的類比中得到創新，如從手搓數鈔票類比中，設計出點鈔機；如移植法，把某產品的先進技術應用到另一種產品中，如將靜電技術移植到耐磨噴劑上，可以提高耐磨劑的吸附性能等。

4.加強課程設計實踐。機械原理和機械設計課程的體系和內容，前者主要以機構分析與設計為主線，后者則以零部件工作能力設計計算為主線。這兩門課程存在著部分的交叉和重復，但又幾乎不涉及機械系統總體方案設計和創新設計，這樣的體系顯然已不能適應新世紀科技發展和人才培養的要求。應以培養學生設計能力和創新能力為目標，在介紹機構運動設計、通用零件工作能力設計的基礎上，突出現代機械系統方案設計。如設計園藝機器人，功能上為行走與園藝操作，柴油機提供動力，有多個工作頭，引導學生進行機構方案設計和零件設計。在設計中結合常用傳動裝置，篩選出四種較為典型的方案：帶——直齒圓柱齒輪傳動、帶——斜齒圓柱齒輪傳動、鏈——圓錐齒輪傳動和帶——蝸桿傳動。引導學生進行方案優選，提醒他們要考慮技術性能、經濟性，要尺寸緊湊、維修方便等。再利用UG、Solidworks等進行產品的虛擬設計。

通過教學中進行創新能力的培養，學生對本課程表現出較高的興趣，充分調動了學生的積極性。很多學生的創造性設計非常有研究和應用價值。不僅培養了學生的設計能力，也激發了學生的創新意識，起到了考試考核成績起不到的作用。總之，教師應適應高等教育發展的需要，培養出更多的一線實用人才。

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基金項目：國家自然科學基金（50471051）

作者簡介：孫建榮（1976-），男，講師，博士研究生，從事機械原理及設計教學，研究方向為機械設計與制造，納米潤滑材料。