以仿生學為載體實踐《機械原理》課程的創新教育

邵立新，段立霞

（1.河南職業技術學院，鄭州450000；2.安陽工學院，河南安陽455000）

“創新是一個民族進步的靈魂，是國家興旺發達的不竭動力。”高等教育作為培養高水平創新人才，發展高科技，提高國民素質的重要陣地，將面臨更為嚴峻的挑戰。創新教育，貫徹知識、能力、素質并重的教育思想，加強素質教育，培養創新能力，是貫穿整個高等教育的主線，是一項艱巨的系統工程。

習近平主席在2014年國際工程科技大會上提出：“一項工程科技創新可以改變世界”，強調工程科技是改變世界的重要力量，發展科學技術是人類應對全球挑戰、實現可持續發展的戰略選擇。為適應人才培養的需要，高校的創新教育已進入了一個新的階段，從教學理念、人才培養方案、教學內容、教學手段和教學方法等方面進行了全面的配套改革。在這樣的大形勢下，就如何在《機械原理》課程中有計劃、有組織、有系統、有重點地傳授知識，發揮機械專業學生的主觀能動性，培養機械專業學生的創新能力，是《機械原理》課程教學改革中的重點與核心，也是機械設計專業人才培養的主要目標之一。本文以仿生學為載體進行探討。

生物在自身進化及自然選擇的長期作用下逐漸地形成了獨特的特性和功能，這些獨特的特性和功能為人類解決工程技術問題提供了大量的設計原型和許多創造性的設計方法，給我們進行技術創新提供非常重要的啟示。縱觀歷史仿生學的概念在進行著不停地演進，由最初的最簡單的對生物的機械的模仿，到達了用自然設計靈感的一個飛躍式的漸進的創新的過程。將通過觀察、分析、研究掌握的自然界生物所具有的各種特殊本領，并模擬、移植到各工程技術領域中去而形成了我們人類的仿生學，按照生物系統的結構和性質為機械設計提供新的設計思想及工作原理，并達到新產品的設計更加經濟、合理、高效和可靠的目的。通過結構仿生在機械領域中的典型應用，我們可以明了結構仿生在機械結構設計領域中的問題，從而解決這些問題達到我們的科技創新的目的。

1.結構仿生技術開拓機械設計的創造性思維

1.1 培養機械專業學生創造性思維的能力

創造性思維是一種最高層次的思維活動，具有綜合性、跳躍性、新穎性、自覺性、頓悟性等，是創造活動的核心，是創造發明的源泉，是創造原理和創造技法的基礎。創造性思維能保證機械專業學生順利解決問題，能深刻地、高水平地掌握知識，并能把這些知識廣泛地運用到學習新知識的過程中，使學習活動順利完成。引導機械專業學生突破思維定式是培養機械專業學生創造性思維最主要的方法之一。就仿生學對機械專業學生創造性思維的培養而言，首先我們以撲翼飛行器為例。

昆蟲翹的結構比鳥翼要簡單得多，但翅膀的超輕質、高強度、自適應變形等性能非常突出，如蜻蜓翅膀是由非常輕的網狀構架的平薄膜材料構成，但是卻能產生非凡的動力，如由sri國際研究公司研發的仿蜻蜓飛行姿態的撲翼飛機已經試費成功，NAsA的噴氣試驗室也成功試驗了蜂鳥和蜻蜓的自主控制和導航系統；喬治理工院與英國劍橋大學、ETS實驗室合作研制的模擬天蛾翅膀結構的撲翼昆蟲機“ENTOMOPTER”，機械翅膀能夠像昆蟲一樣飛行，另外，國際上的撲翼飛行器也取得了一定的進展，這些對昆蟲飛行能力的破譯必然會推動人類對現有飛行器的改革，這是各國發展微型機械飛行蟲的改革，這是各國發展微型飛行蟲技術加以仿生借鑒的核心，而這種昆蟲飛行功能研究已經成為昆蟲仿生領域最重要的方面。

仿生學發展為機器人的設計提供了解決問題的思路與方案。如動物身體結構、運動方式、自由度分配、鉸鏈設計以及系統控制等都是機器人設計的重要依據，通過研究生物原型的相關規律往往可以找到更好的解決問題的方法。

再次是南航對壁虎腳掌紋的微觀結構進行研究，為爬墻機器人的發展提供了依據，動物的靈活高效且適應能力強的運動機構令設計者羨慕不已，許多的仿生設計工作也已開展，如仿蟑螂的機器人以及仿龍蝦的機器人等，科學家（ZHAO T.S）等對海蟹的行走機構、系統參數和運動機理進行了研究，科學家陳殿生從蝗蟲和龜類的翻轉研究中得到靈感，設計了移動彈跳機器人，在微型機器人方面，昆蟲為微型機器人的設計提供了大量的仿生的原型，研制具有昆蟲足樣行走能力的機器人或蟲樣蠕動的微型機車，可被用于行進到崎嶇不平的山路或其他非平坦地帶執行特殊任務，如在汶川的大地震后在墻倒屋塌的廢墟中就有這樣的機器人在執行特殊的任務。這樣抓住了機械專業學生的好奇心，激發了學習的興趣，也鍛煉了創造性思維。

1.2 培養機械專業學生的創新技能

創新技法是解決創新設計的創意藝術，是人們對創造性思維和創造理論加以具體化應用的技巧，創新技能是反映創新主體行為技巧的動作能力，包括創新主體的信息加工能力、動手能力或操作能力及熟練掌握和運用創新技法的能力、創新成果的表達能力和表現能力及物化能力等。機械專業學生從機械原理才開始真正的接觸機械，一般不具有豐富的設計經驗，進行創造性地設計新機構往往不知如何下手，在講課過程中穿插機構創新設計技法，幫助他們構思和設計新機構，為培養機械專業學生的創新技能打下堅實的基礎。

聯想、類比在課堂講授中是最常用的創新技法。機械原理中機構的倒置可以形成新的機械。例如，就仿生學的仿生減阻，主要包括土壤減阻、空氣減阻和水流減阻等。吉林大學通過研究典型土壤動物蜣螂、黃鼠的體表面，形成了比較完善的生物脫附與機械仿生研究理論體系，基于土壤動物體表非光滑結構的仿生，非光滑結構已經被證實具有良好的防粘、減阻性能。“發現鯊魚表皮齒狀突起能保持水流的流態，可以有效地減少表面的摩擦阻力和壓差阻力，基于鯊魚皮的減阻表面結構，已經完成飛機模擬試驗，牽客320客機的機身和機翼表面增加仿鯊魚皮結構后，降低了6%的空氣阻力。基于仿生學的水上研究推進取得了很大發展，如北航的仿生機器鰻魚的機器人以及國外的許多仿生機器人都提高了水下的推進效率，這對改進潛艇與水上交通工具意義深遠。

另外就飛行器設計而言是結構輕量化。結構輕量化是飛行器設計的重要課題，岑海堂借鑒竹竿的細觀結構和排列方式，仿生設計了仿生翼身結合框，仿生結構與原型相比重量可減輕2.1%。馬建峰等將蜂窩結構應用于飛機機翼加強框的設計中，提高了結構的比強度。此外，在機床結構件的設計中，趙嶺利用結構仿生方法改進了工作臺和移動橫梁筋板結構，在降低質量的前提下獲得了更好的動靜態力學性能。在F.1方程式賽車的變速箱、車架等承力部件以及日本的新干線車廂殼體中都采用了鋁合金、碳纖維等高性能材料的蜂窩結構板來實現輕量化，使抗撞擊性能更好。車身結構輕量化是當前結構仿生的重要應用領域。這樣既可以節約授課時間又可以培養機械專業學生的創新技能。而且這種技能的引導卻可以增強機械專業學生的信心，揭開創新設計的神秘面紗，樹立良好的創新性意識。

1.3 激發創造性，在《機械原理》課程教學中發揮教師主導性。

人人有創新的欲望，人人都有創新性。創新教育就是讓所有的機械專業學生都能夠自由發揮，在自己擅長的方向取得理想成績。因此，機械專業學生和教師的角色要進行轉換，關系要改變。教師角色應該由原來處于中心地位的知識講解員、傳授者轉變為機械專業學生學習的指導者、幫助者、促進者，教師要在教學中強化創新思想，是創新教育的主導者；機械專業學生角色應該由原來的被動接受者轉變為主動參與者．成為知識的探究者，機械專業學生是創新教育的主體，要在學習中強化創新精神，形成一種師生互動的良好局面。再如仿生學中的機構仿生設計。在模擬生物體優異運動機構方面也取得了許多創新性的成果。植物葉片的收疊和伸展功能起著保護嫩葉免受外來損傷的作用，如許多熱帶植物一旦碰到溫度急驟下降就利用葉片表面波紋結構的收疊功能來避免霜凍危害。人造衛星和航天裝備研究人員受到植物葉片收疊和伸展特性的啟示，將植物葉片的這種功能用于航天飛船的天線和大面積太陽能電池的設計中。根據長頸鹿血液循環系統的獨特機構，發明了超音速戰斗機的抗荷飛行服。航天科學家受蒼蠅平衡器后翅的肩示，成功地研制體積小、重量輕的“諧振陀螺儀”。蝴蝶的身體表面生長的一層極小的鱗片能夠調節體溫，仿生研制的人造衛星的溫控系統能夠避免溫差損毀精密儀器等。

這里要講的是進行創新教育，首先要求教師應該以身作則，豐富自身的知識結構，強化自身的創新意識，進行創新性教學。教師要轉變傳統的教育觀，培養機械專業學生的自學能力和創新性品質。教師要學習和掌握創造性原理和創造性方法，并有機地運用到教學中。教師要掌握現代教學手段，才能夠得心應手進行創新教育。教師要有很強的業務素質與課堂講授藝術，課堂活動才可能既組織有序又生動活潑。作為一個主導性而不是一個說教性的教師，要尊重、信任、啟發機械專業學生，做到民主、平等、自由、公正，機械專業學生才會敢于發表自己的見解，提出自己的質疑；才會變得生動活潑，積極主動，表現出強烈的求知欲和蓬勃的創造力。教師要積極引導機械專業學生在學習中再次發現、重組知識，聯系實際，動手、動腦解決問題。例如：講機械系統方案設計時，要提出一個科研課題的內容，先講解它的功能．最后落實到需要解決將電動機的旋轉運動轉換成往復直線運動這樣一個閱題，要使機械專業學生感覺學有所用，有成就感和充實感，奠定了良好的學習心態．激發了創造意識和創造熱情。

2.規劃創新程序，在《機械原理》課程中實踐創新教育。

所有的創造性技法都要依賴于機械設計知識的積累，所有的創造性技法都要歸結為一種產品的誕生。《機械原理》教學中的創新教育主要體現在進行創新設計。創新設計的程序涉及如何選題與如何進行兩個方面。創新設計的選題具有非常重要的地位，它直接關系到設計和產品的創新性，同時選題本身也是一個創造性的思維過程。

隨著人類對資源、環境的重視程度逐漸增加，迫切需要改變我國機械設計行業中的保守設計思想。傳統而粗放的生產制造過程必須得到改善，學習生物結構的優化方法將為節約原材料發揮積極作用，其應用也會日趨廣泛。

第一是從結構仿生在機械設計中的應用過程來看，其發展的主體趨勢為：最初外形結構的機械模仿，隨后的內部結構原理的理性分析，現階段注重結構與功能、材料、制造等方面的綜合分析。

第二是結構仿生的研究內容：從宏觀的形態模擬，到細觀的功能原理，再到微觀組織構型，內容在不斷深入和擴大。

第三是結構仿生的研究方法：注重對生物結構的微觀觀察和分析，多采用數學建模、力學分析及有限元的方法進行仿真分析，再通過對仿生樣件的試驗驗證。結構仿生正逐漸成為創新研究的重要方法，并已成為提升科學技術原始創新能力的一個重要方向。

第四是結構仿生的發展方向：正向著微觀化、系統化、智能化、精細化的方向發展，使各學科間的聯系日益密切；結構仿生衍生了新的仿生方向，特別是隨著對基因組、蛋白質結構、腦與神經結構與功能的認知，推動了以解讀生命信息為目的的計算仿生學的發展。

3.結束語

注重素質教育、培養創新能力是當前教學改革的方向，創新教育要貫穿在機械教學中，要激發創新意識，培養創新思維，積累創新技法，強化創新訓練。仿生學已成為培養機械專業學生創新性思維的重要載體。

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