機械創新設計大賽的實施措施和方法探討
——以梧州學院為例

鄧小林, 韋衡冰，嚴超龍

(1.2.3.梧州學院，廣西 梧州 543002)

1引言

《中國制造2025》重點領域技術創新綠皮書[1]明確指出：制造業是實體經濟的主體，是我國經濟實現創新驅動、轉型升級的主戰場。盡管我國制造業從2010年以來的增加值連續5年超過美國，成為制造大國，然而，制造業創新能力、整體素質和競爭力相比發達國家仍有差距。楊叔子院士在《高等工程教育研究》發表了4篇論文[2-5]詳細闡述了“機械，很重要！創新，很重要！設計，很重要！大賽，很重要！機械創新設計大賽，很重要！”這五個“很重要”[2]，并針對“五個很重要”內涵[3]、人才培養重要性[4-5]等方面進行了詳細和深入的分析和討論。國內其他專家學者針對機械創新與人才培養也進行了大量的研究，如劉力紅[6]等人結合安徽理工大學組隊參賽的情況，針對設計競賽在培養學生創新意識、實踐能力以及團隊精神與責任心等方面進行了討論。韋衡冰[7]等人討論了地方性本科院校機械類專業學生，以參賽為載體的創新能力培養模式的構建方法，論述了該模式的結構要素和特點，指出了模式構建和運行的重點環節以及保障措施。陶表達[8]則對參賽單位的校級組織模式進行了討論，論述了學生、指導教師和領導等各方在機械創新設計大賽中所起到的作用。王樹才[9]則對全國大學生機械創新設計大賽可持續性問題進行了深入的分析和討論。針對機械創新設計大賽與學生創新能力培養的相關研究還有很多，而本論文主要立足于對學校參加機械創新設計大賽的組織實施措施和方法進行探討，結合梧州學院近幾年來參加的廣西機械類學科競賽所采取的措施和方法、取得的成績對機械類學科競賽的發展進行系統分析。

本文首先對廣西區內的機械學科競賽情況進行介紹，針對梧州學院近年來參加機械學科競賽的經驗做法進行闡述，對取得的成果進行分析，最后，對學科競賽作品的創新和發展提出建議。

2廣西區機械類學科競賽介紹

廣西區影響力較大的機械類學科競賽主要有全國大學生機械創新設計大賽、廣西高校大學生創新設計與制作大賽以及全國大學生工程訓練綜合能力競賽，這也是梧州學院機械設計制造及其自動化專業學生參加的最為主要的學科類競賽。其中，全國大學生機械創新設計大賽是經教育部高等教育司批準，由教育部高等學校機械學科教學指導委員會主辦，機械基礎課程教學指導分委員會、全國機械原理教學研究會、全國機械設計教學研究會聯合著名高校共同承辦，面向大學生的群眾性科技活動。該賽事已經被納入教育部、財政部實施高等學校本科教學質量和教學改革工程的9個賽事之一，同時它也是全國理工科大學生4大競賽之一。目的在于引導高等學校在教學中注重培養大學生的創新設計能力、綜合設計能力與團隊協作精神；加強學生動手能力的培養和工程實踐的訓練，提高學生針對實際需求進行機械創新思維、設計和制作等實際工作能力，吸引、鼓勵廣大學生踴躍參加課外科技活動，為優秀人才脫穎而出創造條件。而全國大學生機械創新設計大賽廣西賽區競賽則由廣西壯族自治區教育廳、全國大學生機械創新設計大賽廣西賽區組委會主辦，廣西大學承辦，每2年舉辦一屆。廣西高校大學生創新設計與制作大賽由廣西壯族自治區教育廳主辦、桂林電子科技大學承辦，該項賽事2009年首次舉辦，每2年舉辦一次，是面向廣西高校大學生最為重要的賽事之一，近幾年來得到了越來越多高校的重視，參賽隊伍和參數人數也日益增長。全國大學生工程訓練綜合能力競賽廣西賽區競賽，是面向區內在校本科大學生的一項綜合性工程能力競賽，內容上與高校工程訓練教學相銜接，綜合體現大學生創新設計能力、工藝制造能力、實際動手能力、工程管理能力和團隊合作能力。

全國大學生機械創新設計大賽、廣西高校大學生創新設計與制作大賽主要強調產品功能的創新，而全國大學生工程訓練綜合能力競賽則更強調工藝和制造方面。本論文主要以梧州學院歷年來參加的全國大學生機械創新設計大賽和廣西高校大學生創新設計與制作大賽的相關情況進行探討。

3組織實施的措施和方法

3.1注重前期的團隊培養

機械創新設計大賽是一項團體比賽，其整體內容包括了產品的初始設計、零部件加工、制造、裝配、調試以及說明書的撰寫、展板和PPT的制作等各個環節，整個過程涉及的工作量多、難度大。因此，團隊的提前培養是參賽獲得好成績的關鍵。筆者在2009年成立了產品數字化建模團隊，通過校企合作項目以及指導老師自身的科研項目，對學生的數字化建模、加工、制造以及說明書撰寫等技巧進行培訓和強化訓練。學生通過參加教師的科研項目，其創新能力、設計能力以及加工制造能力都得到了較好的訓練，這些前期工作也為機械創新設計大賽人才的輸送提供了重要的保障。可喜的是，近年來，越來越多的教師開始注重提前對學生進行選拔和培養，也間接地帶動了學校機械類學生整體水平的提高。

3.2三維數字化設計技術的引入

隨著科技的快速發展，先進制造業的環境已經發生重大改變，三維產品數字化設計已成為目前企業的主導。產品數字化設計技術能實現無圖紙設計，為業界帶來了全新的產品設計方法和突破傳統模式的先進理念。數字化技術改變了傳統制造業主要依靠手工設計計算、憑借二維圖紙組織生產的方式。學生機械設計能力的培養，很大一部分需要學生從事真正的基于功能的機械產品開發，而這不僅需要學校提供相應的創新實踐平臺，還需要投入大量的經費作保障。現有學校的經費投入難以滿足大部分學生的需求，而產品數字化設計可以讓學生基于數字化設計完成產品的零件設計、部件裝配、整機仿真、工程圖導出，甚至是零部件的剛度、強度和穩定性的分析和優化設計等。對于像梧州學院等地方性本科院校的學生來說，對于復雜的機械產品，要正確完成復雜產品的裝配圖紙并組織加工和制造，相對困難。而三維數字化設計的直觀性，能讓學生借助三維建模和仿真，即可在計算機里完成產品的虛擬設計和仿真。通過對學生的數字化設計能力的培養，提高學生快速設計的能力。這也為學生創新設計提供了基礎。

3.3多學科團隊協同合作

全國大學生機械創新設計大賽的作品每年都有相應的主題，對作品類的功能進行了適當限制，而廣西高校大學生創新設計與制作大賽的作品相對自由，學生設計的作品往往需要實現特定的功能，如僅靠機械機構來實現所有的動作，往往使得整機機構復雜。例如將旋轉運動轉化為直線運動，如果采用凸輪機構來實現，不但要設計合理的凸輪輪廓，而且還需要針對凸輪設計一系列的輔助機構。若采用步進電機和螺桿，通過單片機控制，則可以輕松實現想要的任意行程的直線運動。因此，通過機電結合，多學科團隊的合作，能加快產品的開發設計速度，設計和制造出功能更為復雜的產品。

3.4精心組織和實施

由于參賽作品是一個系統性的工作，而組成參賽的學生往往是大學二年級和大學三年級的學生，其專業課程還沒有學完，在作品制作過程中，由于能力和經驗的限制，難免在設計和制作過程中會有設計不合的地方。指導老師對學生的參賽作品從選題、方案論證、設計和加工等各個環節進行指導，并盡可能在設計階段解決在后續設計和加工過程中可能碰到的各種問題，以盡可能控制制作成本，讓學生在預期的時間里完成產品的制作。而這一切指導工作必須要有規范的管理。規范的管理和組織是成績取得的重要保障。針對機械創新設計大賽，學校層面制定了有關參賽的相關規定和制度，針對比賽的獎勵和資助制度也出臺了相關規定。成立了教務處主管、二級學院分管院領導負責、教研室、實驗室以及工程訓練中心聯合輔助、一批具有較強科研能力的教師擔任指導老師的組織隊伍。

4取得的效果

近年來，梧州學院在全國大學生機械創新設計大賽廣西賽區競賽和廣西高校大學生創新設計與制作大賽中取得了較為滿意的成績，下面主要對其獲獎率、參賽作品數以及梧州學院的參賽作品情況進行分析，其中奇數年參加的為廣西高校大學生創新設計與制作大賽，偶數年參加的為全國大學生機械創新設計大賽廣西賽區競賽。

下頁圖1所示為梧州學院近7年來參加全國大學生機械創新設計大賽廣西賽區競賽和廣西高校大學生創新設計與制作大賽一等獎作品獲獎率統計分析圖。其中黑色為不同年份廣西區的平均值。通過該圖可以發現，梧州學院一等獎的獲獎率遠遠超出廣西區平均水平。其中2010年、2012年、2015年一等獎獲獎率達到50%，2016年的一等獎獲獎率達到55.56%，是廣西區平均值的206%，反應出梧州學院作品在歷年的比賽中，具有很強的競爭力，其成績也遠遠超出廣西平均水平。

圖1 作品一等獎獲獎率分析圖

考慮到三等獎的含金量相對較低，這里對梧州學院一等獎和二等獎總的獲獎率情況進行分析，圖2為近7年來參加全國大學生機械創新設計大賽廣西賽區競賽和廣西高校大學生創新設計與制作大賽一等獎和二等獎作品總的獲獎率統計分析圖。從圖中可以看出，除2015年外，梧州學院一等獎和二等獎總的獲獎率也遠遠超出廣西平均水平。其中2012年和2016年尤其明顯，2012年6項作品參加比賽，榮獲一等獎3項、二等獎3項，一等獎和二等獎的總獲獎率達到了100%，而在2016年的第七屆全國大學生機械創新設計大賽廣西賽區競賽，梧州學院一等獎獲獎率、全國賽作品出線率在廣西所有高校中皆排名第一。其中在全國決賽中，榮獲一等獎1項、二等獎2項，獲獎率在廣西所有高校中排名第一，其全國賽總獲獎數與廣西大學并列第一，創下了梧州學院參加該項賽事以來的歷史最好成績。

圖2 作品一等獎和二等獎總的獲獎率分析圖

下頁圖3為全國大學生機械創新設計大賽廣西賽區競賽近四屆的參賽作品數分析圖。該圖為雙Y軸圖，左側Y軸為廣西區參賽作品數，右側Y軸為梧州學院作品參賽數。從圖中可以看出，自從2010年舉辦第四屆全國大學生機械創新設計大賽廣西賽區競賽后，2012年和2014年的總的參賽作品數呈現快速上漲，反應出區內各高校對該項賽事的高度重視，之所以2016年的作品數相對2014年增加不多，主要是因為全國大賽組委會對各個學校的參賽作品數進行了限制。而梧州學院2016年有9件作品參加該項賽事，這也是近年來的最高數目。

圖3 全國大學生機械創新設計大賽廣西賽區競賽參賽作品數分析圖

圖4為廣西高校大學生創新設計與制作大賽近三屆的參賽作品數分析圖。該圖也為雙Y軸圖，左側Y軸為廣西區參賽作品數，右側Y軸為梧州學院作品參賽數。從圖中可以看出，總作品數逐年增加，其中2015年的第四屆廣西高校大學生創新設計與制作大賽相對于2011年的第二屆廣西高校大學生創新設計與制作大賽的總作品增加了近3倍。主要原因，一是因為該項賽事在廣西區的影響力越來越大，參賽的學校和作品數越來越多。二是參賽作品的類型進一步擴大。2015年的參賽作品，包括藝術類、設計類等各種創新創意類作品皆可參賽，其參賽作品總數在該年出現了跳躍式增加。

圖4 廣西高校大學生創新設計與制作大賽參賽作品數分析圖

下頁圖5所示為梧州學院近7年來參加全國大學生機械創新設計大賽廣西賽區競賽和廣西高校大學生創新設計與制作大賽總作品數、一等獎作品數和一二等獎總作品數分析圖。通過圖5可以看出，梧州學院總的參賽作品數基本上呈現總體上升趨勢，由于作品制作周期長，材料以及元器件購買費用昂貴，總的參賽作品數受到了限制。但無論是一等獎獲獎數還是一等獎和二等獎總獲獎數，都呈現了一個較高的狀態。反應出梧州學院近幾年來在這兩項學科類競賽中所取得的驕人成績。而這些成績的取得與梧州學院組織實施的措施和方法密切相關，當然還存在一些問題有待于進一步完善和解決。

圖5 梧州學院參賽作品數及獲獎作品分析圖

5作品創新的進一步思考

5.1 增材制造技術的應用

增材制造技術也稱3D打印技術[10]，起源于美國的快速成型技術。基于離散/堆積原理，通過將需要制造的模型進行數字化建模并分層，在獲得每層加工路徑及軌跡后，利用3D打印設備自下而上打印，最后疊加成形出三維實物對象[11-12]。3D打印技術顛覆了傳統的切削加工方式，是一種增長式的加工方式，通過增材制造，得到想要的模型。在工業造型設計、生物醫學、航空航天等領域獲得了廣泛的應用，其在個性化、小批量產品制造方面具有很大的優勢，可有效簡化生產工序，縮短產品制造周期。而學生的參賽作品往往為功能產品，為了實現特定的機械動作和功能，可考慮引入3D打印技術完成部分復雜零部件的加工制造。這樣不但能大幅度縮短制造時間，也能開拓設計空間，從而設計和制造出更有新意的產品出來。但必須要指出的，盡管3D打印技術在完成復雜零部件的制造方面具有很好的優勢，但完成作品的本身還是在于其功能的實現和結構的創新，在設計作品時，學生更應注重于作品本身，而不是僅僅為了3D打印而去打印，這樣只會造成適得其反的效果。

5.2作品與地方經濟和服務相結合

教學、科研和服務地方經濟是高校的三大職能，在條件允許的前提下，學科競賽的作品應該盡可能與地方經濟和特色相結合，研發的作品盡可能與地方特色相適應，這樣的作品不但能使學生更有興趣去完成，也具有潛在的市場應用價值。如2016年筆者結合梧州市人工寶石的地方經濟特點，指導學生設計的作品“人工寶石全自動分揀計數器”在第四屆廣西高校大學生機械創新設計與制作大賽中，獲得了評委的高度認可，并奪下廣西區一等獎。而該作品在南寧巡展時，也得到了評委和多個企業的高度關注。

5.3 氣壓傳動技術的引入

通過近幾年參加學科競賽的觀察，大部分的機械作品為機械與電子相結合的產品，而將氣壓傳動技術引入的作品卻很少。其主要原因可能是液壓與氣壓傳動課程開設的時間較晚，該門課程梧州學院在大學四年級第一學期才開設，而學生參加比賽往往是在大學二年級和大學三年級期間，導致學生在參賽的時候還沒有學習過該門課程，無法運用氣壓到機械產品中去。氣壓傳動相對常規的機械傳動，反應速度更快，并且其結構簡單，制造方便，維護起來也相對容易，因此，在不影響整體教學計劃和學生培養的前提下，有必要適當調整課程的排課時間。將氣壓、機械、電子相結合，有望設計出更為復雜和更具創新性的作品。

6總結

機械創新設計作品的設計和制作是機械類學生對所學專業知識進行一次系統實施和全過程訓練，能對學生的實踐能力、創新能力、綜合設計能力和團結協作精神起到全面的培養。本文結合梧州學院近年來參加機械類學科競賽的經驗和實施措施以及方法進行了探討，闡述參加機械學科競賽所采取的措施和方法，并對所取得成果進行了分析，進一步思考了機械作品的創新點。

[1] 國家制造強國建戰略咨詢委員會.《中國制造2025》重點領域技術創新綠皮書[EB/OL].http://www.cgmia.org.cn/news/news.asp?vid=2300&lm=/12,2015-11-02.

[2] 楊叔子,吳昌林,彭文生.機械創新設計大賽很重要[J].高等工程教育研究, 2007(2):1-5.

[3] 楊叔子,彭文生,吳昌林,等.再論機械創新設計大賽很重要——紀念中共中央、國務院《關于深化教育改革全面推進素質教育的決定》頒布十周年[J].高等工程教育研究, 2009(5):5-10.

[4] 楊叔子,彭文生,吳昌林,等.三論機械創新設計大賽很重要——紀念《國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010～2020年)》一周年[J].高等工程教育研究, 2011(3):4-8.

[5] 楊叔子,彭文生,吳波,等.四論機械創新設計大賽很重要——紀念胡錦濤同志在清華大學建校一百周年慶祝大會上重要講話一周年[J].高等工程教育研究, 2013(1):14-19+71.

[6] 劉力紅,張東速.以設計競賽為載體,促進學生綜合素質提高[J].安徽理工大學學報(社會科學版),2010(2):85-87.

[7] 韋衡冰,鄧小林,嚴超龍,等.以機械創新設計大賽為載體的學生創新能力培養模式的構建與實踐[J].廣西師范學院學報(自然科學版),2016(3):120-124.

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[9] 王樹才.全國大學生機械創新設計大賽可持續性問題思考[J].華中農業大學學報(社會科學版), 2009(3):102-106.

[10] Günther D, Heymel B, Günther J F, et al.Continuous 3D-printing for additive manufacturing[J].Rapid Prototyping Journal, 2014, 20(4):320-327.

[11] 王延慶,沈競興,吳海全.3D打印材料應用和研究現狀[J].航空材料學報,2016(4):89-98.

[12] 張學軍,唐思熠,肇恒躍,等.3D打印技術研究現狀和關鍵技術[J].材料工程,2016(2):122-128.