基于仿生項目的機械設計學實驗教學改革的探索與實踐

解明利， 黃世軍， 汪飛雪， 臧新良

(燕山大學 機電液一體化國家級實驗教學示范中心，河北 秦皇島066004)

0 引 言

“機械設計學”是機械設計制造及其自動化專業的一門學科主干課，通過系統的學習，使學生具有初步的“能提出創新構思并能盡快將其轉化為具有競爭力產品”的能力。在這個過程中，創新性思維是靈魂，也是機械設計學的本質與核心［1-4］。設計作為一種創造性活動與實踐密不可分，息息相關。而實驗教學正是學生進行實踐活動的一個重要環節，是學生學習機械設計學課程進行工程實踐的重要途徑，通過精心設計的實驗教學，可以啟迪學生創新思維，開拓設計潛能，提高分析和解決問題的能力［5-9］。發揮著理論教學不可替代的作用。目前，國內外一些高等工科院校普遍采用了CDIO 的工程教育模式，其本質就是注重學生動手能力的培養和創新工程素質的提高，基于這種理念，我們緊緊圍繞機械設計學課程教學內容與體系，對實驗教學從體系結構到內容、手段和方法進行了一系列有益的探索與改革。

1 基于項目的實驗教學

1.1 傳統實驗教學存在的問題

在傳統的機械設計學實驗教學中，主要以觀摩性、驗證性實驗為主，即便有學生動手操作的環節，基本上都停留在對機械設備的拆裝與分析這個層面上，比如對典型機械針式打印機、腳踏式縫紉機等的拆裝實驗，通過拆裝也只是讓學生在較低的層次上對機械的功能原理有一個簡單的認識，根本無從談及綜合設計和創新能力的培養。學生一哄而來，一哄而去，教師和學生之間缺乏感情交流，學習交流的機會［10］。這種教學模式只適用于基本技能的訓練，無法全方位、多層次的激發學生的積極性和創造性，學生無法深刻理解并應用理論課程中所學習到的“創造性思維”、“創造性方法和技法”等內容。另外，這種實驗教學模式在成績考核上也存在不足，學生的成績評定大多是以學生實驗報告和教師印象為主要依據，這樣做有兩個弊端，一方面無法杜絕有雷同實驗報告的現象，另一方面學生實驗成績的評定完全是以教師為中心，學生處于被動接受的地位，基于這兩點，成績評定時很難做到量化的公平、公正、準確，在一定程度上影響了學生學習的積極性和主動性，不利于學生實驗中實事求是，誠實守信等優良學風的培養。以上這些問題的存在，直接導致了學生在主觀上對實驗的重視程度不夠，缺乏投入的熱情，書寫的實驗報告千篇一律，應付了事，甚至有些同學課下被問及實驗講過的內容都解釋不清楚，這樣的實驗教學顯然和“機械設計學”課程中所要求培養的學生能力是銜接不上的。當今的機械設計學實驗教學內容的重點已不單是機械功能原理和結構的簡單分析，作為隨著科技進步不斷發展的學科，其突出要求的是學生在設計中創造性思維和能力的鍛煉與培養，通過一套行之有效的實驗教學體系，使學生真正意義上認識到積極參與創新設計實踐比死記硬背各種創新設計理論更重要，通過實驗教學，使學生消除對創新實踐的神秘感，提高參與創新實踐活動的興趣和自信心，為達到這一目的，必須對傳統的實驗教學進行改革。

1.2 基于項目的實驗教學

基于項目的實驗教學一般可理解為，在規定的時間內，以某幾個典型工程設計案例為目標，以學生小組為主體，以教師為主導，在共同協作中，充分組織和利用相關資源來完成設計任務，并將成果以實際的產品形式表現出來［11-14］。這種實驗教學模式主旨上是以實驗室為依托，以產品設計為目標，將課內知識向工程實際拓寬，技術知識向工程實踐遷移，引導學生充分發揮自己的聰明才智，獨立解決工程問題，學生在創新設計的過程中，會主動的把理論課堂中所學到的知識應用到產品研發過程中，將躺在教材中的繁雜理論和一個個鮮活的工程實際結合起來，讓以往學生感覺看似枯燥的文字一下子有了生動的立體形象，讓學生真正體會到了學以致用，提高了解決復雜工程問題的能力。另外，由于要求學生還要完成最后的產品制作，學生潛移默化的在設計中會考慮成本與效益這個概念，這種思想和現代工業的可持續發展經濟模式是相契合的。這種基于項目的實驗教學模式充分做到了以學生為中心，為了出色地完成設計任務，不同學生設計出不同方案，甚至同一個學生今天設計了一個方案，明天又提出一個新的方案，學生的思維處于非常活躍的狀態，實驗過程中經常出現爭論不休的場面，出現這些現象是學習積極性的表現，是經過獨立思考的結果。作為教師在實驗教學中，要善于激發、鼓勵、引導學生的這種創新設計的熱情，激情帶來創造力，這比單純地傳授一些知識更為重要［15］。這種實驗教學模式，學生表現了極大的熱情和參與性，通過實驗既體會了設計過程的艱辛，也嘗到了成功的快樂。

2 基于仿生項目的機械設計學實驗教學實施方法

基于項目的實驗教學強調以項目為中心，以學生為主體，注重團隊協作對給定的工程項目進行研究［16-17］，其實施過程如圖1 所示，包括選題立項、方案設計、產品實體設計、項目實施、成果展示交流、評價考核等6 個環節。

圖1 項目式實驗教學實施過程

2.1 選題立項

選題是項目式實驗教學的起點，也是指導創新設計工作的主線，題目選擇的好壞，直接影響到最終的教學效果，因此在設計題目時要充分從以下幾個方面進行考慮:①選題要充分考慮學生現有的知識經驗和能力水平，既能有科學研究價值又不失于生活，這樣的選題一方面能激發學生的探究欲望，另一方面不會讓學生從一開始就產生高不可攀的抵觸情緒;②項目內容應豐富，在實施過程中能體現不同課程的融合，讓學生能多方面的運用所學過的知識解決項目中出現的各種問題;③選題要兼顧科學性、創造性、可實施性，保證學生最后能提交完整的作品。時間上要盡可能保證項目能在理論課程進行中完成;④選題應能體現多樣性和擴展性，在一個共同的設計目標下，學生能開拓思維，提交各式各樣的作品，便于比較和評價。

基于以上這幾點考慮，我們選擇了工程仿生作為項目背景，學生以3 或4 人為一組，選擇不同的生物體為研究對象，通過對生物功能、結構或運動機理的研究建立其生物原理模型，并在此基礎上，進行相應的工程理論研究和技術創造，并以特定的機械結構來模擬其運動。表1 中列出了基于仿生項目的10 個設計題目，從表中可以看出，這些題目既滿足了機械設計學中利用發散性思維實現創新結構設計的要求，同時還充滿趣味性，能充分發揮學生的創造力和想象力，設計活動空間很大。

表1 機械設計學實驗仿生項目設計題目

2.2 產品設計

產品設計分為兩個階段，第一個階段是產品功能原理設計，這是機械產品設計的最初環節。學生要以產品機械的形式在形態、結構、控制、功能等方面對生物行為進行模仿，首先就要對生物體結構奧秘和運動機理進行剖析，然后以功能結構圖的形式表現出來，并在此基礎上構思能實現功能目標的新的解法原理。學生在這個過程中，可以用智爆法、變異創新法、組合創新法、機遇利用法、技術移植法等創新設計方法提出大量的方案，然后小組同學對這些方案進行研究、討論、比較，對方案從運動學和動力學角度進行分析，篩選出幾個方案后進行組與組之間的答辯，從技術、經濟角度進行方案的評價對比，選擇一種比較合理的解法作為最優方案加以采用。第二個階段是產品的實用化設計，這個階段要求學生在功能原理設計的基礎上，把原理方案物化為能達到要求的實體機械圖紙，學生在這個過程中，需要查閱大量的資料文獻完成整體的參數計算，完成整機系統的結構設計和關鍵部件的強度剛度校核。對于學生感覺復雜的機械結構，還可以通過實驗室現有的機械系統創意組合實驗平臺進行模擬系統的的搭接，通過實際觀察和測量機械系統的動力學參數來驗證所設計的機構是否能滿足預期要求。在整個環節上，學生不單是在機械設計創新技法方面得到了鍛煉，而且還充分使用到所學過的一些工具軟件如Adams，Matlab，Ansys，Pro/E，CAD 等，綜合能力得到進一步提高。教師在學生產品設計的過程中，要加強引導，善于觀察。注意各個學生在實驗過程中發揮的作用，記錄其存在的問題及其優勢，對于一些技術關鍵點，可以讓學生通過實驗室平臺進行試驗研究，充分調動學生自主動手動腦，解決問題的能力。圖2 展示的是仿生螃蟹設計小組做的三維設計及后期渲染模型。

圖2 仿生螃蟹設計

2.3 項目實施

項目實施是培養學生動手能力最關鍵的環節，仿生設計究竟能不能完成預期目標，只有通過學生自主動手制作出來的產品進行檢驗。在這個過程中發現，由于傳統的教育體系下，學生從小學到大學階段缺乏動手操作能力培養的經歷，直接導致在面對項目實施時，出現紙上談兵，嘴上講得火熱，但制成成品卻不知從哪下手、無法獨立進行機械加工、制作過程出現停滯怠工的現象。此時教師一方面要鼓勵學生放手加工，不怕失敗;另一方面要勤加督促，在現場進行指導，給學生做參謀。實驗室對學生全天候開放，在加工設備、操作工具等方面給學生提供充足的條件。這個階段的教學給我們以下幾點經驗值得后續借鑒。

(1)指導學生在項目實施時，注意項目成本控制的概念。在企業生產中，項目成本的控制一直是制約項目發展的一個重要因素，提高成本核算水平，降低工程成本，是實現目標利潤，創造良好經濟效益的重要途徑。在項目實施過程中要注意培養學生這方面的意識，這對學生日后進入企業服務是非常有利的。學生在實物制作時，選取零件的加工材料時，要兼顧材料的性能和價格，在理想使用前提下，盡量選取適用范圍廣，價格低廉的材料，在加工方法上，盡量使用加工費用較低的加工設備，能在普通機床上加工的零件就不適用3D 打印，能手工制作的零件就不使用機加設備。

(2)讓學生把握好時間節點，在項目實施時，學生只要有惰性就會拖延項目完成時間，導致最后產品的加工精度和裝配精度不高，運行調試時發現的問題沒有時間調整和修改。教師在這個階段要勤加督促指導，按照任務進度表做好節點考核和跟進，掌握學生項目進展滯后的具體原因，發現問題及時解決。

圖3 是學生們在實驗室進行產品制作的情景，通過項目的實施，學生深刻體會到了理論知識和實踐結合的重要性，正所謂“看時容易做時難”，有些設計最初感覺合理，到了制作裝配時卻發現了漏洞和不足，學生們往往在制作環節上會發現比當初設計更巧妙的解決方法，學生們雖然感覺實物制作過程中很辛苦，加工裝配時都遇到了不少困難，但大家都深刻體會到了設計本質上就是一個從理論到實踐，然后再到理論的這一過程，這其中只要有付出和思考就有收獲，這個收獲就是我們的實踐能力和創造能力，這是任何的書本理論教學都不能給予的。

圖3 仿生項目產品制作

2.4 項目考核評價

基于項目的實驗教學考核是對學生設計過程中表現出來的綜合能力進行評價，具體包括以下幾方面內容:

(1)學習能力。即面對工程問題時能及時有效地獲取相關知識，并靈活運用理論知識解決復雜工程問題的能力。

(2)執行能力。即獨立完成項目，熟練使用工具設備來完成產品制造的能力，能熟練使用實驗設備，設計實驗方法對研究工作中存在的問題進行驗證的能力。

表2 項目考核辦法

(3)職業能力。即順暢的溝通表達、積極認真的工作態度、良好的團隊協作能力等。

基于以上方面，在項目考核時，要注重定量與定性，將個人與小組，自我與他人評價相結合，表2 中列出了具體的成績評定辦法。考核中比較重要的一個環節就是成果展示和項目驗收，通過小組之間的橫向對比，結合專家評委的意見，可以進一步研究探索存在的問題以及優化改進的措施。評價的主體由任課教師、實驗教師、學科中有多年工作經驗的教授、學校督導團專家等組成。每個小組同學準備PPT，經過自述、提問、答辯、實物演示和評委點評等環節來表現自己對項目的認識程度和當場論證項目的能力，同時這也是一個增長知識，交流信息的過程。學生一方面就項目設計中存在的薄弱環節和不足之處同現場專家進行探討，得到不同程度的幫助，另一方面也得到了一次展示自己勇氣、雄心、智慧、風度和口才的大好機會，這對將來從事公司的崗位工作是非常有幫助的。

3 基于仿生項目的機械設計學實驗教學實施效果

基于項目的實驗教學極大地改變了傳統的實驗教學模式，運用教師與學生合作的“雙主”方式，即教師關鍵指導，學生自我訓練為主，使教師的角色從傳統的信息提供者變為學生求知過程中的合作者與引導著，引導學生主動查閱資料，擴展相關理論知識。項目實驗教學將實驗課變為學生進行科技活動的第二課堂，豐富了學生的業余生活，學生為了能在規定時間內完成項目，課下幾乎都泡在實驗室里，雖然少了往日的悠閑，但更多的是充實并快樂著。

教學實踐中發現，這種類似工程項目形式的實驗課程教學引起了學生的極大興趣，每個小組為了成功完成自己的項目都做了大量的準備，包括查閱各種資料，熟悉實驗平臺，進行機構設計，這些活動潛移默化的強化了學生的自主意識，提高了學生對實驗的認知度，鍛煉了學生的綜合素質。這種合作性的學習模式給與了學生充分思考、學習的個性化時間，不同知識和能力基礎的學生能夠充分發揮自己的個人特長，使培養的人才在整體能力全面提高的基礎上，又各有自己的特色［18］。通過基于項目的實驗教學，學生自主獲取知識信息的能力、專業實踐能力、交流協作能力、創新思維能力都得到了不同程度地提高，從而滿足社會對不同崗位人才的需要，同時教師的業務水平也在教學活動中得到了提升。實踐表明，這種實驗教學模式已在高年級學生中收到了良好效果。機械設計專業學生的科技作品“健康節能飲水機”在第三屆全國大學生機械創新設計大賽中獲得了二等獎、“仿生螃蟹設計”獲得2014 年全國大學生機械產品數字化設計大賽三等獎，“齒輪漸開線發生儀”獲得2014 年河北省機械創新設計大賽特等獎、獲得2014 年第六屆全國大學生機械創新設計大賽二等獎，“仿生球形機器人設計”、“仿生海鰩設計”已向國家專利局分別申報了發明專利和實用新型專利等。

4 結 語

基于項目的機械設計學實驗教學開展兩年以來，學生對課程的知識掌握程度和應用技能等方面都有較大的提高，它打破了傳統的實驗教學模式，在強調加強專業基礎教育的同時，關注工程實踐、強調綜合創新能力。學生通過基于項目的實驗教學，不僅加深了理論知識的理解，鍛煉了動手操作技能，而且提升了交流、協作、自主學習、分析問題和解決問題等綜合能力，培養了學生樹立完成復雜工作的自信心和勇氣。在攻克難關的過程中，學生的質量意識、安全意識、群體意識、創新意識等得到加強，在學生感受到成功喜悅的同時，綜合素質得到了提高。對推動本科的教學改革有一定的實踐意義。當然基于項目的教學模式還有很多問題值得我們去研究探索，比如是不是所有學科，所有內容均適合于基于項目的教學模式，如何保證學生在各課程中時間上的沖突問題都是我們要后續考慮的。

［1］ 謝里陽.現代機械設計方法［M］.北京:機械工業出版社，2005.

［2］ 史維玉.機械創新思維的訓練方法［M］.武漢:華中科技大學出版社，2013.

［3］ 周伯軍.創新性思維與設計方法的探討［J］.包裝工程，2007，28(1):143-146.

［4］ 張利榮.大學研究性學習理念及其實現策略研究［D］. 武漢:華中科技大學，2012.

［5］ 魏淑慧.研究式教學與學生創新思維能力的培養［J］. 山東師范大學學報，2008，53(5):68-72.

［6］ 郭愛紅.探究式實驗教學培養學生創新能力的研究［D］. 昆明:云南師范大學，2007.

［7］ 林 健.卓越工程師創新能力的培養［J］. 高等工程教育研究，2012(5):1-17.

［8］ 李華榮，李海濤，湯曉蘭. 論大學生創新教育與創新思維的培養［J］.南華大學學報，2010，11(3):68-70.

［9］ 陳東海，王祖強，王照君. 加強對學生創新和能力的長期培養［J］.實驗室研究與探索，2006，25(2):215-217.

［10］ 元澤懷，陳英俊，李廷洪. 學生與學校共建開放實驗室新模式探索［J］.實驗技術與管理，2010(3):156-158.

［11］ 黃 杰，何宗鍵.基于項目的實驗課程改革探索與實踐［J］. 計算機教育，2008(2):30-33.

［12］ 殷旭彪，王永花.基于項目的開放式實驗教學的實踐與思考［J］.現代教育技術，2010，20(5):125-129.

［13］ 胡文龍.基于CDIO 的工科探究式教學改革研究［J］. 高等工程教育研究，2014(1):163-168.

［14］ 汪建豐，沈月娣，孫和平. 本科專業理論課程實施項目式教學的理論與實踐［J］.現代教育科學，2012(6):52-56.

［15］ 高勝利，趙方方.創建機械基礎新型實驗教學體系的探索［J］.實驗室研究與探索，2006，25(3):347-349.

［16］ 張 蕾，王興華，陳越洋，等.基于CDIO 模式實驗教學改革的問題及對策［J］.教育教學論壇，2015(7):79-80.

［17］ 朱金秀，陳小剛，朱昌平，等.項目式實驗教學的探索與實踐［J］.實驗室研究與探索，2008，27(11):93-95.

［18］ 葉漢俠，夏靜芬，林建原，等. 基礎化學實驗教學的改革與實踐［J］.中國大學教學，2009(12):73-75.