大學生機械創新設計指導案例與分析

羅玉軍

（廣西科技大學 機械工程學院，廣西 柳州 545006）

1 引言

機械創新設計能力是機械類專業學生專業綜合素質的體現，是高等工程技術人才培養的目標之一.隨著對創新能力重視程度的提高和各類學科競賽的蓬勃開展，越來越多的大學生參與到機械創新設計活動之中.然而，以學科競賽為導向的機械創新設計，使學生的目標過份傾向于作品成果本身，而沒有從中有意識地學習到創新的思維和系統的工作方法.如何培養學生創新能力是我國當今高等教育研究的重要課題[1,2]，專門針對大學生學科競賽指導的研究也是一個重要內容[3].雖然機械類專業系列課程都強調機械創新能力的培養，但多數學生實際上是從參加學科競賽開始接觸機械創新設計的.盡管許多學生在各類學科競賽中獲獎，但是最后卻依然沒有養成系統的工程素質，更不用說較強的創新能力.本文總結了在指導大學生機械創新設計活動中獲得的經驗教訓，對大學生機械創新設計的行為特點進行了分析和歸納，提出相應的指導策略，目的是讓機械創新設計活動能夠充分發揮其培養創新能力的作用.

2 大學生機械創新設計活動存在的問題

目前我國絕大多數高校并沒有開設專門的機械創新設計的教學環節，學生的機械創新設計活動相當于課外科技興趣小組行為，通常是圍繞競賽主題進行某一機械作品的設計制作，以參賽獲獎為目標所進行的一種暫時性的活動.在這樣的背景之下，很多學生的創新項目具有自發性特征，缺乏科學嚴密性和規范性.在指導大學生機械創新設計過程中，發現存在下述比較突出的問題：

2.1 選題的科學性不強

學生自己擬定機械創新課題時通常只注意作品的功能性，容易出現兩個極端：一是基于樸素的常識而缺乏學術內涵，如很多學生把著眼點放在自行車、健身器材等司空見慣的產品上——第五屆全國大學生機械創新設計大賽期間，在校內評選準備參賽的作品時發現，24件參選作品中涉及自行車的有8件，其中6件以折疊功能為創新點；涉及健身器材的4件，均以多功能為創新點，實質上只是把現有的健身器材簡單的組合在一起；這些作品由于不能在產品的工作原理和主要功能方面做出明顯的改進，因此不能算是一個合適的創新課題，大多數在評審中被淘汰了.二是僅憑在傳媒中撲捉到的某些科技信息，動輒納米航天，超越自己的能力甚至目前的科技水平，提出一些技術上難以實現的構思，最后也只能草草收場.

2.2 開發過程不規范

機械產品的開發過程要經歷概念開發和產品規劃、詳細設計、樣機制作、批量生產等階段，設計階段還包括方案設計和技術設計.由于沒有經過系統的產品開發訓練，學生在設計自己的機械創新作品時，很難嚴格遵循上述規范，缺少產品的規劃和定位，開發過程中走一步看一步，不能區分方案設計和技術設計的作用，更不能按照階段任務去執行；沒有階段性目標和完整的技術文件；容易把目光聚集在某些主要功能上，把這些功能的實現過程當成整個產品的開發過程，忽略整機功能和系統的協調.

2.3 計算分析能力不強

據調查，專業知識欠缺是學生完成機械創新的最大障礙[4].由于專業知識不足導致不知道如何開始設計，或是了解設計步驟但不會運用設計理論來解決設計中遇到的問題，是學生在創新設計過程中遇到的最大技術難題.在上述評選作品中，幾乎沒有看到一份完整的設計計算說明書，很多設計甚至沒有機構運動簡圖；尺度綜合、運動學和動力學分析均存在錯誤，有的作品沒有考慮連桿機構運動循環中的死點，有的甚至不能在靜止狀態下保持平衡.相對而言，學生針對齒輪、軸、軸承等通用機構和零件所進行的設計計算完成得較好，而對于那些超越課堂學習范圍的專業機械以及動力學問題的分析計算則力不從心.

3 大學生機械創新設計活動的指導策略

顧名思義，在大學生機械創新設計活動中，指導教師的作用是“導”和“教”——“導”意味著教師不應參與具體的技術工作，而是恰當的引導學生自己完成創新設計；“教”即把創新設計當作一個教學過程，為人才培養目標服務.有的國內專家建議安排一定的創新設計課程學時，分配到《機械原理》和《機械設計》等相關課程當中[5].因此，無論是從傳授理論知識還是培養專業技能的角度，都應當把指導大學生機械創新設計當作一次教學活動，按照教學規范來實施.

3.1 做好教學規劃

指導教師應根據創新設計的主題，制定相應的教學目的、教學內容、教學方法，引導學生自主學習相關的專業知識，學習必要的分析計算技能，完成一定的工程訓練，讓學生的工程素質得到全面提升.

3.2 引導學生正確選題

引導學生圍繞創新設計主題開展調研，幫助學生發現和提出科學問題，結合學生自身的興趣和知識水平擬定合適的創新設計題目.

3.3 規范學生設計過程

以項目的形式要求學生按照技術規范做好創新設計規劃，提出項目實施的技術路線，合理安排項目進度.指導教師做好技術審查、進度監督工作.

3.4 指導學生分析計算

分析計算能力是專業知識的核心內容.對于剛剛進入專業理論學習階段的大學生來說，要求他們具備很強的分析計算能力是不切實際的.因此指導教師要根據設計內容，明確提出關鍵零部件的設計計算和校核計算項目，指導學生學習相應的計算理論和方法步驟，完成項目設計中的分析計算工作.

需要指出的是：學生容易把作品的完成當作創新活動的終點，這不利于充分發揮創新設計活動在人才培養方面的作用.因此指導教師應與學生一起做好項目的總結歸納工作.一方面，歸納項目創新點和價值，形成技術成果，讓學生在創新設計活動獲得實際利益；另一方面，總結工作有助于幫助學生學習體會工作方法，形成工程能力.

4 機械創新設計活動指導案例與分析

第五屆全國大學生機械創新設計大賽內容為“休閑娛樂機械和家庭用機械的設計和制作”.自行車作為最常見的機械產品，以其為基礎的改造設計自然成為了很多準備參賽學生的首選題目.在這些學生自發擬定的題目中，以折疊和變形為創新點的占絕大多數，與市場上已經存在的產品功能重疊，實現方案基本雷同，因此都不適合作為創新設計題目.針對這個現象，指導老師與學生一起分析了自行車的功能與大賽的主題，以及可能的創新思路.有一組學生依據“仿生法”[6]提出了一種“模擬騎馬運動的娛樂型自行車”的作品構思，獲得了指導教師的肯定.

評選出學生創新設計題目之后，指導教師根據創新設計內容擬定了相應的指導教學方案（表1）.

該方案中，指導教師幫助學生按照工程項目的形式制定了設計任務書，包括明確設計目標、技術參數、設計內容、技術路線、關鍵問題、進度安排等內容的修訂，讓學生學會了如何開始和規劃一個研究課題.

在設計階段，要求學生按照方案設計——技術設計的循序，設計組成員合理分工協作，分階段完成相應的任務，按照預定的時間節點定時匯總更新設計成果，明確下一階段目標.

表1 大學生機械創新設計指導教學方案

在創新設計期間，指導教師不直接參與具體的技術工作，只是起到了引導思考和質量把關兩個方面的作用，讓學生通過查閱資料和分析評價，自己完成項目的設計和計算工作.學生面對“模擬騎馬運動的自行車”這個課題，一開始并不知道從哪里開始入手.指導老師把設計內容分解為一個個具體的問題，首先讓學生觀察和分析騎馬時人體的動作要點——身體的起伏、腿和手臂的屈伸、動作的協調關系等；然后考慮這些動作應該如何分解？采用哪種機構實現這些分解動作？以及機構的時序和協調，人機工程學等方面的問題.學生通過解決這些問題，提出和多個解決方案.指導教師再利用對各方案的技術經濟評價，讓學生自己選出了方案設計的最終結果.

“模擬騎馬運動的娛樂型自行車”參加了第五屆全國大學生機械創新設計大賽并在賽區獲獎，還獲得國家專利局授予的實用新型專利.參加本項目的學生后來繼續開展科學研究，獲得了學校大學生科技項目和廣西大學生創新創業計劃項目的資助.

5 結語

由于大學生參加機械創新設計活動多是被各種科技競賽活動所吸引，因此在指導大學生機械創新設計活動時，在指導思想上除了看到這些競賽活動對機械創新教育的積極促進作用的同時，也要清楚地意識到學生參加機械創新設計活動的功利性.功利性目標使得一些學生甚至指導教師只看重結果不重過程，從而大大削弱創新設計的人才培養作用.這對這種現象，本文分析了大學生機械創新設計活動中容易出現的失誤和不足，從人才培養的角度提出了相應的指導策略，希望能為提高機械專業大學生的工程能力有所幫助.

〔1〕黃小龍.大學生機械創新設計能力培養的探索[J].中國電力教育,2010(6).

〔2〕黃長征.機電類本科生機電液一體化系統創新設計能力培養與實踐 [J].教育教學論壇,2013(35).

〔3〕任愛華,孫傳瓊.大學生機械創新設計大賽指導初探[J].中國電力教育,2011(6).

〔4〕王勝曼，張建華，孫曉燕.影響大學生機械創新能力的調查分析[J].人力資源管理,2010(6).

〔5〕高中庸.大學生機械創新設計方法與實踐[M].北京:兵器工業出版社,2014.

〔6〕張春林.機械創新設計[M].北京:機械工業出版社,2007.