基于達·芬奇機器設計思維的現代工程應用構想

張余益，李 睿，郭 巍

（清華大學基礎工業訓練中心，北京 100084）

1 現狀背景

近年來，為更好地培養全球拔尖工程人才的設計思維與實踐能力，探索新工科、新基礎、新方法、新課程，達·芬奇機器的設計手稿在全球很多工科院校風靡。達·芬奇在多系列的工程機器設計手稿中大量運用了超越當時時代的軸測圖、爆炸圖、局部放大視圖、幾何透視圖和剖視圖等，來表達所設計工程機器的工作原理和內部結構。如他設計的起重機設計手稿所表達的機械結構理論，在現代很多鐘表棘輪和自行車中得到應用。這些設計手稿即使在今天，仍然令研究者們感到驚奇與贊嘆。

2004 年之前，全球各大博物館展品中的復原機器都沒能表現出達·芬奇本人的設計意圖，并且展品中的作品都無法真正運行。院校相關專業與實驗課雖然一直都在投入研究，但大都由于實驗設備問題、人力資源問題、系統工程問題等，缺乏應用式構想等因素，進展緩慢。本研究擁有堅實基礎，利用現代工程設計思維解決此類問題：一方面工程訓練中心匯集了全球很多尖端的高精密設備和多工藝制造裝備，是全球最大的創客基地之一；另一方面訓練中心有著近百年的制造工藝沉淀與創新型工程思維傳承，每一位項目參與人都具備現代工程師的開放腦洞與嚴謹的獨特工匠技能；更重要的是訓練中心承接著清華大學工科同學的很多工程實踐課，為此創新型課程的開發對工程實踐教學有很大的推動進步作用。

達·芬奇機器的復原研究成果還將在校內科技博物館中展出，為博物館提供多系列的展出機器，面向廣大學生和參觀者科學展示工程機器的發展過程與機器內部構造，讓更多人了解工程機器設計制造的精妙。

2 構想設計

本次項目將開設以項目式教學方法為基礎的多工藝融合式工程訓練實踐課。學生們在一學期內學習到工業制造中的不同生產制造設備和相關制造工藝，在每種制造工藝環節都會收獲不同工種的知識與技能。經過一學期的理論學習和實踐來提升對工業設計、工業制造等一系列有關工業發展的整體認知，并間接完成工程文化素質的培養與提升。

項目式教學中6 人組建一個團隊，每人扮演不同角色，分擔工作任務，團隊合作完成項目化課程，以達·芬奇機器某個具體產品為導向，分解產品設計、工藝工程設計、加工制造等環節，設置階段性的里程碑任務。這樣的設計有利于以團隊為導向的群體學習過程中，實現不同專業背景學生在課程中的重組性，有利于通過跨學科人才互動，促進多元化人才的培養。在課程里學生不僅能學習到CAD/CAM 應用軟件、木工、鉗工、普銑、數控銑和特種加工等多種制造成型方法與制造工具，還可以提升自身的團隊協作能力，為以后完成更大的項目和工作打下堅實基礎。

3 構想研究方案

本次項目的開發主要有以下切入點和預定方案。

3.1 深入剖析達·芬奇機器設計手稿

探索五百年前文藝復興時期，達·芬奇是如何用混合藝術的繪畫手法完美詮釋和表達科學的工程思維。機械制造過程中使用繪圖方式傳達工程師的設計理論、產品狀態和應用原理，機械繪圖是知識表達的工具，是技師和工程師的表達方式。本次的初期研究就是對實際的達·芬奇機器圖紙深入剖析和研讀，然后應用現代工業中的三維造型設計軟件進行計算機輔助設計和裝配，實現虛擬機構仿真運行，在計算機中校驗達·芬奇機器的理論可實現性。利用計算機仿真的功能可以更加便捷有效地實現機器理論校驗工程，而且具有校驗工程周期短、虛擬模型修改方便且成本低的優勢。

3.2 以多個實際達·芬奇機器為載體

五百多年前的達·芬奇指出“理論脫離實踐是最大的不幸”“實踐應以好的理論為基礎”，他認為知識起源于實踐，應該從實踐出發，通過實踐去探索科學的奧秘。本次研究從達·芬奇機器設計手稿入手，參考現代卓越工程師和藝術產品視覺傳達師經驗，運用當代三維造型設計軟件進行機器理論校驗，以先進的制造工藝方法為基礎制造手段，對至少三個系列工程機器進行現代化工程制造應用與復原。

3.3 研究達·芬奇機器設計思維與視覺傳達

通過對達·芬奇系列機器的研究，探索、提取、孵化、整理達·芬奇機器設計思維與工程機器的視覺傳達方法，讓學生通過本項目的學習后深刻體會認識到機械制圖、產品設計效果圖的重要性。引導學生正確運用更有效的方式表達自己的設計想法，應用繪制工程圖的方式向工廠生產人員傳達零件尺寸、公差等信息。通過從設計到實踐制造的周期中，了解設計缺陷，辯駁達·芬奇機器設計的優缺點，從而優化機器本身的設計結構和可實現性。

3.4 達·芬奇機器二次開發

運用機械設計手冊查找標準參數，根據國家標準選擇標準件，如工業中通用的標準滾珠軸承、絲杠、光軸、固定螺釘螺母等一系列國標標準件。根據這些標準件優化設計方案，對達·芬奇系列機器進行二次開發，以現代工程機器研究方法詮釋達·芬奇機器設計理論的可行性和適用性。

3.5 研究新工科實踐課程新模式

以達·芬奇機器工程為載體，貫穿融合多種制造工藝，這需要開發工程理論與實踐課的新模式，為培養卓越工程人才研究新的創新培養方案。本次課程創新將以文化發掘與文化工程為主體框架，具體通過達·芬奇機器修復工程為任務目標，貫穿整個理論和實踐課。項目負責老師需提前選擇易于學生實現復原的幾款達·芬奇機器，于課程準備前期經過機器復原工程校驗。在課程中學生以組建項目團隊的方式領取達·芬奇機器復原任務卡，任務卡上有明確的復原任務，如必須在計算機內完成虛擬三維建模、機構仿真工程校驗、制造工藝方法、基礎零部件實際制造等相關復原必要工作任務。每個團隊領取不同的達·芬奇機器復原任務卡，每個團隊成員分別有各自的角色扮演，其中必要的有項目總工程師、設計工程師、制造工程師、工藝員、材料選配員和安全工程員等，他們互相聯系、互為條件、互相作用，共同有序地推動項目團隊的動態平衡發展。這樣以團隊合作為導向的項目課程，更有利于跨學科人才的培養。

4 結語

以達·芬奇機器為載體的項目導引式學習，可以讓學生充分了解到工程機器的前世今生，感受工程機器的精妙，感受歷史上工程機器的文明與革新，從而提升學生對工程機器乃至整個工程制造業的興趣，有助于新一代卓越工程人才的培養。