基于知識供給和流動規律的機械設計專業創新人才全息培養

曹蔚 朱育權 楊科 田建輝 沈云波 彭潤玲

摘 要：文章研究了機械設計過程的知識流動規律，分析了產品創新設計關鍵因素，進行了機械設計專業創新人才培養的教學改革探索。以產品設計過程中知識流動規律為主線，科學育人，加強學生創新能力和素養的培養；在此基礎上以學生為主體，教師為輔助，構建校園機械設計知識服務體系；綜合利用多種現代機械設計手段，形成多角度全息機械設計創新人才培養模式。

關鍵詞：知識流動；機械設計；創新人才；全息

中圖分類號：C961 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2017）16-0020-04

Abstract： In this paper， the rule of knowledge flow of mechanical design process is studied， the key factors of innovative design of products are analyzed and the mechanical design innovative talent training progress is reformed. Based on the rule of knowledge flow， students are trained scientifically and the cultivation method of students' innovative ability and quality is strengthened. Then， students， with the teacher's assistant， can build the knowledge service system of campus mechanical design. Through comprehensively utilizing a variety of modern mechanical design methods， the innovative personnel training mode of multi-angle holographic mechanical design is constructed.

Keywords： knowledge flow； machine design； innovation personnel； holography

一、概述

機械產品的創新、快速設計已經成為制造業競爭的焦點，設計知識的有效積累、流動和供給是產品創新設計的內生動力。因此，必須深化機械設計專業人才培養方式改革，結合機械產品設計結構層次性的特點，研究產品全生命周期信息知識的表示與集成，從多層次全方位角度研究機械產品設計知識流動規律， 以該規律為主線，將其貫穿機械設計專業的各項教學活動，全面提升學生的創新能力和工程素質。

二、機械設計專業方向人才培養現狀

目前，國內特別是西部高校機械設計專業人才培養在教學理念、方法和手段、創新能力等方面尚不完善，具體表現如下：

（1）教學僅注重已有理論知識灌輸，缺少對學生獲取設計新知識和整合已有知識能力的培養，未從機械產品的生命周期、設計結構層次等角度分析產品設計的基本要素，難以提高學生創新知識應用能力。

（2）設計訓練基本上都是傳統機械產品設計分析，設計過程按步就班，設計方法缺乏新意。這樣的設計訓練雖然能夠加深學生對機械設計專業主干課程基礎知識的理解和掌握，但卻不利于激發學生的探索創新和自主研究精神。

（3）創新創業實踐活動缺少對分布式資源環境和知識服務平臺的有效利用，較少借助互聯網+、智能化平臺、大數據等手段獲取新知識以進行機械創新，沒有實現設計知識流動。

三、多角度的全息機械設計創新人才培養模式構建

基于知識流動規律，以學生為主體，以培養創新設計知識獲取能力為中心；優化課堂教學、改進設計訓練過程、革新課外實踐活動；多方協同聯動，形成多角度的全息機械設計創新人才培養模式，如圖1所示。

圖1 多角度全息機械設計創新人才培養模式

四、實施措施

（一）探索知識流動規律，革新機械設計教學理念和方法

1. 立足知識流動本質-挖掘產品創新設計關鍵因素

傳統設計專業教學多注重具體理論知識點的灌輸，對學生的創新精神和創新思維缺少引導和訓練，歸根究底是沒有厘清產品創新設計中的關鍵因素。

機械產品創新設計關鍵因素包括創新精神、創新點、創新理論與方法、創新設計知識服務平臺及知識流動幾方面的因素，關鍵因素與創新設計能力及創新知識的關系模型如圖2所示。

圖2 關鍵因素與創新設計能力的關系模型

基于上述設計過程關鍵因素的認識，機械產品的設計知識將得到進一步分層。

2. 細化知識類別-機械設計知識分層表述

在傳統機械設計人才培養過程中，過于關注知識點細節，忽視各知識點在產品設計過程中的作用及彼此之間的區別與聯系。學生設計過程中也側重圍繞各孤立的知識點展開，缺乏對系統總體上的理解和把握。因此首先需要將機械設計知識分層表述，如圖3所示：

圖3 機械設計知識分層表述

新產品設計過程可以分為概念層、系統層、零件層等幾個層次，不同層次的設計流程以及所需的知識類型完全不同。

在教學過程中，教師有必要根據內容所屬的不同層次選擇關鍵知識進行講授。

3. 打破思維定勢-營造基于知識流動供給的現代設計理念

在認清機械設計關鍵因素后，首先可將創新思維貫穿始終，引導學生打破思維定勢。例如： 在產品確定功能后，教師可利用一個準確的脫離結構的描述來激發學生的創新思維。

為改變傳統機械專業人才培養將整個機械設計過程割裂，各部分知識獨立的現狀，在厘清機械設計知識流動規律及其設計知識表述方式后，將原設計類課程內容重新組合，按照知識供給和流動的規律來培養學生。例如在機械產品設計的過程中，向學生灌輸知識集成的概念，培養學生在掌握已有知識的基礎上，學會如何對多類知識資源進行集成。

以往的機械設計人才培養過程中，各門主干課程割裂，給學生的感覺就是每門課學完往往不知有什么用，整合運用知識能力很差。因此遵循設計過程知識流動規律，給學生適當的啟發，引導學生提出問題、搜索已有知識、獲取已有知識、集成創成新知識，最終解決問題。調動學生的主觀能動性，在潛移默化中增進創新設計能力的培養。

（二）優化知識供給， 構建校園機械設計知識服務體系

在吸納整合其他社會資源的基礎上，運用互聯網+思維，構建以高校為基礎、融合多源知識單元的全息設計知識服務體系，從“知識流動”角度引領機械創新設計。動員和激發廣大師生廣泛關注，營造濃厚的校園知識流動氛圍，將創新思維、知識流動規律、創新設計訓練貫穿機械設計專業學生培養過程中，培育了與高等教育相融合的“校園知識服務”創新產品設計文化。

如圖4所示：我校利用微信、QQ、短信、貼吧等交流平臺構建校園機械設計知識服務體系，形成校園知識流網絡，面向全校提供知識服務。平臺與校內幕課、微課平臺互相補充。

圖4 校園機械設計知識服務體系

通過搜索校園機械設計知識服務平臺已有的知識和服務，產品的各項功能與某一領域的知識對應起來，將所有的知識服務組合最終獲得一個全新的機械產品。從而完成了概念層的設計。

（三）推動知識流動，革新機械設計實踐環節

1. 基于知識分層的設計思維訓練

機械設計專業人才的培養應更加注重培養學生的創新思維和知識獲取能力，因此我們引導學生沿著概念層、系統層、零件層等設計過程的幾個層次路線依次完成課程設計任務，幫助學生經歷機械產品設計知識流動全過程。要求學生完成需求調研、功能分解、機械零件選型與組合、最終獲取知識完成運動學和動力學計算分析等。如圖5所示為機械設計專業課程設計知識流動全過程。通過知識分層，從本質上培養學生的創新思維，促使學生主動獲取創新設計的專業基礎理論知識。

2. 基于資源共享的項目訓練

畢業設計等環節的實訓題目與科研案例結合，綜合利用多角度多方位手段。以學生為主體，教師只起輔助引導作用，鼓勵學生利用網絡環境和各類設計知識服務平臺獲取新知識，對海量信息進行合理篩選匹配，整合各資源單元的知識服務項目，創成新知識，構建自己的知識流網。

如圖6所示：我校開發了校園現代機械設計知識服務平臺，實現資源共享、優勢互補。充分發揮橋梁和紐帶作用，連接校園與企業，溝通學生和實施單元，可服務于大學生創新設計和就業創業。

另一方面師生可以借助現代機械設計知識服務平臺觀摩企業實際機械產品設計案例，增強實踐經驗，實現了“走出去”使機械設計專業學生深度參與機械設計知識流動過程。

3. 基于設計過程訓練的課內外感性認知

利用選修課等課余時間培養學生應用現代設計理論、方法和手段解決實際問題的思維方法和基本技能。培訓學生用三維建模及有限元分析軟件進行機械系統建模和分析，提升學生興趣，為創新設計知識流動提供有力支持。如圖7所示：通過選修課學習，學生需完成某機械零件或系統的三維建模及有限元分析訓練。

實踐環節在機械設計專業人才培養過程中不可或缺。我校將實踐能力培養與創新人才培養結合，一方面，機構運動創新實驗室引進了機械方案創意設計五位一體化實驗儀（如圖8所示），建設機構模擬實訓平臺，通過利用該實驗裝置進行現場實踐，讓學生親自動手設計，培養感性認知能力，進一步獲取機械系統基本機構的關鍵知識。另一方面借助知識服務平臺，使學生得到“機構方案選型-尺度綜合-分析”一系列完整的設計訓練。

（四）加速成果轉化，發揮示范效應

為加速成果轉化，我校有針對性地引導社團成員參加課外實踐與競賽活動、按照設計過程的層次步驟進行創新設計訓練，結合設計知識流動規律引導社團學生去獲取整合知識并完成任務，要求團隊成員利用已有知識提出問題，采取各種手段獲取知識，整合資源，得出設計結果，刺激團隊內部知識融合與流動，激發創造潛能。

近幾年我校學生借助知識服務平臺開展大學生機械創新設計、三維造型設計大賽、“互聯網+”大賽等各類創新設計活動與項目，獲得多項國家級和省級科技競賽獎勵，學生積極與指導教師聯合申報專利、軟件著作權等。近三年來，本專業學生參與發表科研論文40余篇，申報各類專利、軟件著作權等近120項，授權發明專利14項，實用新型專利38項，外觀設計專利7項，獲軟件著作權28項，取得了良好的效果。促進了科技成果轉化，充分調動學校廣大教師的積極性，發揮了示范效應。

五、結束語

針對機械設計方向育人現狀，我校立足高校優勢資源，基于知識流動規律，以學生為主體，從教學觀念、教學環節和實踐環節等幾個方面進行改革。形成了機械設計專業主干課程新型教學方式與教學內容，借助現代設計知識服務平臺和互聯網進行設計資源組織和機械創新設計，在學生已具備專業知識的基礎上，逐步形成獲取組織設計知識的思維習慣。通過參與教師課題項目和各種專業競賽，指導學生進行典型機械裝備與產品的設計分析，使學生學會利用外部的知識服務與專家資源解決產品設計開發中碰到的技術問題。構建學生自主創新、設計方案分析與設計資源組織的能力。

本項目的實施，使眾多學生受益，不僅使學生獲得創新設計的完整訓練過程，同時又能使學生在設計過程中成長為創新知識的傳播者、實踐者和最大獲益者，很大程度地調動了學生自主獲取知識積極性。借助設計平臺，學生根據自己的需要獲取已有知識和方法，進一步使已有知識在實踐中更新，進一步形成新知識。激發了學生內在的求知意識。培養學生的創新精神和能力，成功地將知識內化成綜合實踐能力，最終實現創新設計人才的螺旋上升式成長。本項目培養模式的改革也可滲透應用到其他專業方向的各教學環節中，以機械創新設計關鍵因素為抓手、以產品設計知識流動規律為主線，以分布的知識資源為支撐，最終構建多層次、多角度、多維度的全息機械創新人才培養模式。

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