以現代設計方法為導向的大學生創新能力培養探討

摘要：針對當前的教育模式，通過對傳統設計和現代設計方法的比較，進行了以現代設計方法為導向的機械類大學生創新能力的培養方法研究，并以全國大學生機械創新設計大賽為案例，詳細分析了如何培養機械類大學生創新能力。以現代設計方法為導向加強創新實踐活動對提高當代大學生的綜合素質、創新思維能力以及教師的綜合實踐素質、提高學校的整體競爭力有很大的幫助。

關鍵詞：創新能力；現代設計方法；機械設計

作者簡介：何孔德（1973-），男，湖北宜昌人，三峽大學機械與材料學院，副教授；方子帆（1963-），男，湖北宜昌人，三峽大學機械與材料學院，教授。（湖北 宜昌 443002）

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）32-0052-02

創新能力是當代大學生必備的素質，其培養必須讓學生從開始就要具備一定的工程意識，要讓學生懂得學習是為工程服務的。因此，在學校就要培養他們的工程意識、工程素養。大學生創新能力的培養是一個長期的過程，受到很多因素的影響和制約，要從硬件和軟件兩個方面來考慮。硬件就是學校和社會能提供給學生進行創新實踐的場所、環境、設備等；軟件就是學校和社會能否給學生提供創新實踐所需要的指導，能否幫助學生解決創新活動中的難題。因此需要建立一批學生進行創新實踐能力培養的平臺及評價體系，有意識地引導學生從開始就有進行創新的企圖，才能充分調動學生的創新積極性。[1]大學生創新能力的培養是要依靠學校和社會共同的配合才能完成，學校除了講解創新思想、創新方法、創新技能外，很重要的是要能給學生提供創新活動的場所、設備、資金及指導。這些工作也需要社會的幫助，聘請具備充分實踐能力的工程技術人員來共同參與指導、解決工程實際問題對大學生創新能力的培養是非常有用的。

隨著中國經濟與世界經濟的全面接軌，在新產品開發中用戶要求的交貨時間短。傳統的基于二維的產品設計人力、物力投入大，設計周期長，設計精度低，已不能滿足現代市場對產品的需求。此外，設計過程中使用二維工程圖也限制了與部分看不懂工程圖的用戶之間的溝通，這樣用戶就不能自由地參與設計。因此，企業必須在產品開發中采用三維造型、有限元分析及模態分析等現代設計方法，提高設計效率，縮短設計周期，加速產品的更新換代，并增強產品的市場競爭力。現代設計是在近幾十年逐漸發展起來的，包括設計過程、設計策略以及設計方法。其中設計方法對現代產品設計至關重要，國內外都提出了一些設計方法，如結構化設計方法、系統化設計方法等，還可更加詳細分類，如優化設計、可靠性設計、有限元分析、動態仿真設計、模塊設計及計算機輔助設計等。培養大學生的創新能力必須以現代設計方法為導向，從學生時代就養成好的創新習慣，為以后的產品開發、工程設計打好堅實的基礎。[2]

一、傳統設計

傳統設計是當今大多數企業仍然采用的一種設計方法，它的發展經歷了從直覺、經驗、半經驗半理論三個階段。它的設計過程要依賴于設計人員的經驗以及已有產品的結構及使用情況，在此基礎上進行一定小范圍的改動或者重新設計，使新的產品能滿足新的要求。

雖然這種傳統的設計方法也經過了計算、分析，但是這些計算分析還只是局限于零件級的水平，沒有從整體上來考慮系統的性能，其設計過程也是采用了必要的數學計算，是在經驗的基礎上的一種進步，但是這種設計方法沒有全面考慮系統的整體性能、整體使用環境以及外部因素的制約和限制，在設計時有可能疏忽了許多重要的因素而造成設計結果的不準確。[3]傳統設計中一個新產品的定型需要經過設計—試制—修改等一系列的反復循環，要耗費大量的人力、物力及財力，在當今產品換代日益加速的環境下，傳統的設計方法已經滿足不了人們的需求，需要采用新的更具競爭力的現代設計方法。

二、現代設計方法

現代設計方法是隨著當代科學技術的飛速發展和計算機技術的廣泛應用而發展起來的一門新興的多元交叉學科。它是以設計產品為目標的知識群體的總稱。目前它的內容主要包括優化設計、可靠性設計、計算機輔助設計、工業藝術造型設計、虛擬設計、疲勞設計、三次設計、相似性設計、模塊化設計等。在進行工程設計時，一般都以計算機作為分析、計算、綜合、決策的工具。

現代設計方法有以下特點：

（1）程式性：現代設計方法研究的是產品全生命周期的設計，即產品的設計是從市場調研、概念設計、詳細設計、產品加工制造、產品試驗、產品后期使用保養、產品報廢回收等一個整體來進行考慮的。這種設計和傳統的設計不同之處就是設計不再僅僅是一個技術問題，而是一個系統的過程，這個設計的過程最終要保證產品的高性能。[4]

（2）創造性：現代設計方法中要充分體現產品的創新，一個創新的產品在設計階段就應該采用創新的思維方法，采用創新的方案，這一些都需要學生從學校開始就要培養這種能力。

（3）系統性：現代設計方法不僅是一個工程技術問題，而是一個考慮了產品全生命周期的系統問題，因此在進行創新設計時要采用系統的觀點和方法，使系統達到整體性能的最優。

（4）優化性：現代設計方法中采用的是系統的思想，設計的目的就是用最少的社會資源來獲取產品的最優設計性能，如何使產品性能最優呢？關鍵就是要采用優化的方法來研究系統整體性能的最優。

（5）綜合性：現代設計方法是一門新興的學科，它的出現改變了傳統的設計方法和思維習慣，采用邏輯、理論、系統的設計方法。在系統工程、創造工程的基礎上運用信息論、相似論、模糊論等理論，同時采用集合、矩陣、圖論等數學工具和計算機，總結設計規律，提供多種解決設計問題的途徑。

（6）CAD：如何用現代設計方法在最短的時間內設計出最好的產品？如何處理設計過程中大量的信息？就需要用到計算機輔助設計的方法，進行產品的虛擬設計、虛擬實驗、虛擬加工、動態評估等。[5]

國家為了提高我國工科大學生的創新設計能力，每年都要舉行多種形式的創新大賽活動，其中有代表性的就是每兩年一次的大學生機械創新設計大賽。機械創新設計大賽要求學生必須以參賽隊的形式參加，且必須有實物模型或者縮小比例的實物模型，這就要求學生的產品必須經過設計、加工等工序，因此鍛煉了學生的動手能力。[6]另外，整個比賽過程都有完整的圖紙、虛擬動畫以及實物樣機的展示，學生要介紹整個作品的創新思路及功能特點，并回答評委的提問。這種全國性的機械創新設計大賽能有效地鍛煉學生的創新能力、團隊合作能力、機械設計能力等，提高學生的就業競爭能力。要很好地完成一個項目的創新設計，單純依靠傳統的設計方法是很難完成的，必須在具備傳統設計知識的基礎之上，利用現代設計方法，在規定時間內完成產品的設計與制造。其設計框圖如圖1所示。

三、應用案例

本文以第四屆全國大學生機械創新設計大賽課題為例來詳述現代設計方法在大學生機械創新能力培養中的應用。針對大賽主題提出“組合式快速起升千斤頂”設計方案，該裝置可以頂起樓板、巨石等重物，而且具備起升重物、人員躲避等功能，力量均勻，安全可靠，既可以節省人力又可以使壓在樓板下的人免受二次擠壓，還可以防止樓體進一步跨塌。如果合理設計改變其設計尺寸，并采用機械動力，此設計可作為大型機械使用。但是學生在沒有任何工程背景的前提下要很好地完成這項設計任務是很困難的。因此在設計過程中指導學生采取現代設計方法，嚴格按照現代設計方法的流程，利用計算機手段完成了該課題。其基本原理圖及三維模型如圖2、圖3所示。

四、機械創新實踐效果

三峽大學經過多年實踐，也舉辦了各類機械創新設計大賽，針對學生的跟蹤調查，認為達到了以下目的：

一是通過機械創新大賽鍛煉了學生的實際動手能力及系統的思維方法，同時也提高了就業競爭力。

二是提高了教師的實踐能力。教師實際動手能力和解決實際工程問題的能力還有所欠缺，通過教師指導學生的機械創新大賽，提高了教師的實際動手能力，也為學校培養了“雙師型”教師。

三是增加了學校教學科研成果數量，為學校帶來一定的教學科研成果。一般來說，創新實踐參賽作品都具有一定的創新性、實用性。這樣，通過參賽學生和指導老師的努力，在作品完成后，在正式參賽之前，都會進行專利申請。這些都表明通過學生的創新實踐可以在一定程度上提高學校的教育質量。

五、結論

以現代設計方法為導向加強創新實踐活動可以在一定程度上提高學校的教育質量，提高當代大學生的綜合素質、創新思維能力以及教師的綜合實踐素質，提高學校的整體競爭力。

參考文獻：

[1]劉國強.應用CAD技術的現代機械設計[J].中國新技術新產品，

2008，（6）：11-69.

[2]白曉虎，張祖立，辛明金.現代設計方法在機械類專業畢業設計中的應用[J].中國現代教育裝備，2008，（9）：25-26.

[3]倪曉宇，劉英.現代設計方法教學方法的實踐與初探[J].科技教育創新，2008，（10）：226-227.

[4]鄭建榮.Adams-虛擬樣機技術入門與提高[M].北京：機械工業出版社，2001.

[5]成大先.機械設計手冊（單行本）.常用工程材料[M].北京：化學工業出版社，2004.

[6]孫桓，陳作模，葛文杰.機械原理[M].北京：高等教育出版社，

2006.