基于變形設計的機械類高職學生創新能力培養體系構建

【摘 要】立足于機械類專業課程體系，構建“專業基礎能力——專業綜合應用能力——創新能力”三階遞進的創新能力培養體系，在其中結合變形設計理念，構建基于夾具設計的創新能力訓練框架，課內學習和課外培訓相結合，達到提升機械類高職學生專業綜合應用能力、創新能力的目的。

【關鍵詞】高職學生 創新能力 變形設計 夾具設計

【中圖分類號】G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2015）10C-0060-03

一、高職學生創新能力培養是社會科技進步的需要

國家“十二五”科學和技術發展規劃明確提出要“大力培養造就創新型科技人才，改革完善創新型人才的教育培養模式”。教育部從2004年起每隔兩年舉辦一屆全國大學生機械創新設計大賽，至今已連續舉辦了六屆大學生機械創新設計大賽，旨在培養產業技術進步的生力軍——大學生的創新設計能力、綜合設計能力和工程實踐能力。此外，每年教育部及各省市、各級教指委舉辦的各種職業技能大賽、機器人大賽，都在引領職業教育培養學生專業創新能力、專業綜合應用拓展能力。

在高職教育機械類專業教學中，更應注重開發學生創造性思維，培養創新能力，使學生掌握扎實專業基礎知識的同時，能做到理論聯系實際，活學活用，成為適應企業生產、建設、管理、服務等一線需要的高技能人才。

二、高職學生創新能力的培養需要探索積極有效的途徑

大學生創新能力、綜合技術能力的培養，一方面來自于課堂學習，一方面來自于課外培訓（包括競賽培訓等）。根據我們目前的課堂教學模式，對培養大學生創新能力、綜合技術應用能力來說還是非常有限，尤其是對高職學生而言。目前的高職學生普遍起點較低，基礎較差，自主學習能力有限，在這樣的現狀之下，想要提升高職學生的創新設計能力和專業技術綜合應用能力，特別是想要培養出一批比較出類拔萃的具有優秀綜合職業技能素質的高職學生，需要依賴于切實有效的課外能力提升培訓途徑。基于這一出發點，借助于由經驗豐富、專業能力全面的機械專業教師團隊及企業專家參與的教師工作室，擇優選拔基礎較好、有刻苦鉆研精神、不怕吃苦、積極努力的學生，開展創新思維創新能力培訓，并結合各級各類技能大賽，探索出一套與課堂教學相輔相承且行之有效的培訓實施方案，并經過普適性研究，形成可以在教學中開展的高職學生創新能力培養實施體系，達到全面提升機械類高職學生專業綜合應用能力、創新能力的目的。

三、基于變形設計的高職學生創新能力培養體系構建

由于當前高職學生普遍起點低，基礎較差，近年來高職機械類專業一般都很少開設設計課程，各種機械設計在課程中少有涉及或涉及較淺。包括各種機械加工現場中使用率很高的夾具設計也大多是僅進行原理的教學，基本不要求學生深入開展設計，而創新能力的培養卻要求學生具有良好的理論知識綜合運用能力，機械設計卻恰好是最能體現專業知識綜合應用能力的。基于這一考慮，我們選擇了夾具設計作為創新能力培養訓練的載體，在工作室學生培訓中經過反復運用，探索構建了三階遞進的創新能力培養體系，即構建“專業基礎能力——專業綜合應用能力——創新能力”培養實施體系。通過選拔基礎較好、有刻苦鉆研精神的高職學生參加培訓，經過培訓實踐找出培養體系的不足，逐步完善培養體系，并經過普適性研究、分解、重構，形成可推廣的在機械類專業教學中應用的高職學生創新能力培養實施方案。

（一）具備扎實的專業理論基礎知識和專業基礎技能是創新能力培養的根基

機械設計具有依賴于經過長期科學實踐應用的典型機構并在此基礎上拓展應用、開發設計的特點。絕大多數的機械設計都不是憑空想象而來的，調研數據表明，實際的設計工作中大約70%屬于適應性設計和變型設計。就好像各種運動機器必須有動力源、傳動機構和執行機構三大要素，無論這其中的各部分機構如何變化，動力源如何更新換代，這三者都以某種形式存在著。因此，機械創新設計必須要具備良好的機械設計基礎專業理論知識。同時，任何一項機械設計都要求設計者能夠熟練運用機械制圖國家標準的規范來表達設計方案。而現代的機械設計大多都已拋開傳統的運用鉛筆、尺子和橡皮手工繪圖、曬藍圖的制圖模式，機械制圖通常采用CAD計算機繪圖軟件完成，這就要求設計者除了能熟練掌握機械設計基礎專業理論，還要具有良好的識圖、根據國標制圖設計以及計算機繪圖設計能力。現代的機械設計為了能進一步驗證設計結果的正確性、可行性和科學性，常常還要運用CAD軟件進行三維造型、模擬裝配和自動編程、模擬加工等，要達到這一要求，則需要設計者具備三維軟件如Pro/E、UG NX等的應用能力。基于以上考慮，我們建立了涵蓋機械制圖、機械CAD（二維及三維）、機械設計基礎在內的專業基礎知識鞏固提高訓練題庫，通過分階段有計劃地培訓來鞏固提高機械專業學生的專業基礎能力，使其具備良好的創新基礎。

（二）良好的機械專業知識綜合運用能力是實現創新的必要途徑

機械設計創新要求學生具有良好的專業素養及專業知識綜合運用能力。為了提升學生的專業知識綜合知識運用能力，借助于具有典型代表意義的機械結構進行專業基礎知識整合運用系統訓練是有效的方法。根據多年的教學經驗，挑選具有代表性的用于培訓的典型機構，最好是學生已經有所了解、同時機構又能涵蓋多個典型機械結構和零件的組合。而減速器從其結構來看，它包含了帶傳動和齒輪傳動典型傳動機構，其中還有平鍵連接、銷連接、螺紋連接等；從零件類型來看，減速器殼體屬于箱體叉架類零件，傳動機構中的齒輪、帶輪屬于輪盤類零件，傳動軸屬于軸類零件，基本涵蓋了機械零件中的三大類典型零件，并且學生在機械制圖和機械設計基礎課程學習中都有一定程度的涉及，經過多方斟酌，最終確定了選擇二級齒輪減速器作為專業知識綜合應用能力培訓載體，并以此為依據建立項目綜合培訓實施方案，編寫專業知識綜合應用培訓指導書，通過培訓幫助學生體驗將專業基礎知識系統應用于解決實際問題的具體過程、步驟。

這個過程的培訓難度和復雜程度要大于專業基礎培訓階段，為了確保學生能夠完成具有一定復雜程度的零件圖繪制并符合機械制圖國家標準的規范，在進行減速器項目培訓前分別安排較為復雜的軸類、輪盤類、箱體叉架類零件圖識圖及繪制訓練。減速器項目則從零件拆裝測繪入手，完成測繪和草圖繪制后，選擇其中的幾個典型零件，讓學生自行完成工程零件圖并進行三維造型、模擬裝配、自動編程及模擬加工。這個過程使學生完整體驗了實際生產現場工作流程的各環節，綜合運用了機械制圖、機械設計基礎、機械CAD、機械CAD/CAM技術應用等專業課程知識，學生對現代設計技術中的計算機技術應用得以熟練掌握，不僅對將來走上機械設計工作崗位大有裨益，也為學生創新能力的培養奠定了堅實的基礎。

（三）在變形設計理念下依托夾具設計構建創新能力訓練框架

機械設計創新能力訓練框架的構建目的在于，借助典型機構設計以達到綜合運用機械制圖、機械設計基礎、機械CAD、機械制造技術、液壓與氣動、電氣控制等專業知識，提升機械類高職學生機械設計能力及訓練創新思維、創新設計能力的目的。

現代的機械設計主要以科學的設計理念及先進的設計工具為基礎。學生通過前期兩個階段的訓練已經具備熟練運用計算機技術——機械CAD以及三維CAD/CAM設計工具的能力。機械創新設計思維的基本原則是最短路徑原則及相似性聯想原則。以此基本原則為出發點，我們選擇采用現代機械設計創新模式中的變形設計理念搭建創新設計訓練框架。變型設計是指在不破壞原設計的基本原理和基本結構特征基礎上，提取已存在的設計或設計計劃，通過調整局部結構或修改參數的方法產生一個和原設計相似的新設計。這種設計方法是在熟知已有設計的基礎上的擴展和延伸，不要求設計者必須具備深厚扎實的理論體系和完整嚴密的設計思路，更符合當前機械類高職學生的能力特點。該設計理念所采用的拓展及發散性思維也更有利于激發高職學生的學習興趣。

根據近年來所進行的行業企業調研，機械制造行業無論大中小企業，生產一線的技術人員通常都要進行工藝及工裝設計。而在近年來高職機械類專業課程學習中，夾具設計部分的學習大多止于結構原理及設計方法，因此，我們確定了以企業廣泛使用和需求的工裝夾具設計搭建創新思維及創新設計能力訓練框架。該框架的構建基于如下四個步驟：

步驟一：探究鉆床、銑床夾具的基本結構，學生首先搜集相關資訊并進行分類或歸納出典型的類型結構，并在正確識圖的基礎上分析結構組成及夾具組件的設計及選擇要點。由于夾具結構有一定的復雜性，指導教師參與指導分析，或結合學生所收集資料，老師補充完善，展開分析指導。

步驟二：分析以上夾具可裝夾的工件的類型，提出若零件尺寸形狀發生變化，夾具如何改進？這一部分內容需要學生積累若干具有代表性的不同種類的夾具結構及識圖經驗，學生在課程學習的基礎上經過步驟一的訓練可達到這一目的。

以加工殼體側棱邊的銑床夾具 為例，如圖1所示，舉例說明此類問題提出的方式。

1-夾具體 2-支承板 3-壓板 4-螺母 5-對刀塊 6-大圓柱銷 7-球頭釘 8-鉸接板 9-螺桿 10-棱形銷 11-定向鍵

圖1 加工殼體的銑床夾具

該銑床夾具用于裝夾如圖1中雙點劃線所表示的圓柱形殼體零件，在學生已掌握夾具的結構原理的基礎上，提出如下問題：

殼體零件內外直徑變化，夾具應如何變形改進？

討論分析結果：殼體零件外徑變化，壓板與殼體零件配合圓弧尺寸需發生相應變化；殼體零件內徑變化，夾具不需要改變。

若該殼體零件有一系列大小尺寸規格，是否每個尺寸都需要設計專用夾具？有何可行方案？

討論分析結果：方案一，壓板可制造成一系列尺寸的孔徑。方案二，將夾具體、支承板及壓板上螺桿孔制造成長孔，螺桿位置可根據零件尺寸的變化，在長孔允許的范圍內變化調節，即夾具設計為可調夾具；若尺寸系列跨度較大，則將尺寸分段為若干組，相應地將夾具設計成若干組夾具，每組對應一定尺寸范圍的零件裝夾，即構成成組夾具。

步驟三：該夾具的夾緊機構有可能作何改進？

學生自行探究并作出結論，選擇以上夾具的一至兩種提出自己的改進方案，小組討論可行性，指導教師作出總結和評價。

步驟四：學生根據已有零件的夾具裝配圖，進行變形設計，運用CAD、CAM完成整套夾具設計。

經過完整的夾具變形設計，學生體驗了運用機械制圖、機械CAD、CAM、機械設計基礎、機械制造技術等專業知識進行夾具設計的全過程，該訓練進一步鞏固提升所培訓學生的繪圖設計能力，強化了對典型機械結構、機構的認識和理解，并在理解現有機械結構的基礎上拓展訓練靈活運用能力，使學生能夠熟練使用機械CAD進行機械設計，理解掌握液壓與氣動控制、電氣控制在實際機構（夾具鎖緊機構）中的運用。在此過程中，學生獲得的不僅僅是專業知識的綜合應用能力的提高，更重要的是拓展及發散性思維、創新思維得到了良好的訓練。

總之，該體系的構建既考慮了專業知識體系的合理支撐，又充分考慮了當前機械類高職學生的能力特點。采用現代機械設計變形設計理念構建創新能力訓練框架，針對性明確，對于傳統的設計課程學習來說，在方法和模式上都具有突破性，而選擇夾具設計作為創新能力訓練載體也符合當前機械行業企業崗位需求。因此，該培養體系作為高職機械大類專業人才培養的創新模式具有一定的推廣價值。

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【基金項目】2013年度廣西高等教育教學改革工程項目（桂教高教[2013]28號）

【作者簡介】韋曉航（1967- ），女，柳州鐵道職業技術學院副教授，研究方向：機械設計與制造，數控技術。

（責編 丁 夢）