工業設計專業機械基礎課程教學改革理論與實踐

芮曉光，劉鑫培，王傳洋

(1.蘇州市職業大學，江蘇 蘇州 215104；2.蘇州大學，江蘇 蘇州 215021)

0 引言

“機械基礎”是工業設計專業重要的技術基礎課程。工業設計專業開設該課程目的是培養工業設計專業的學生不但要具有較好的藝術知識，同時也要具有一定的機械基礎知識和機械結構設計能力。工業設計不僅包含產品色彩、造型及人機工程學等要素，還涉及材料選用、機械結構設計以及產品制造工藝等技術性基礎要素。作為一個優秀的工業設計師只有掌握了機械設計等相關知識，深入了解產品工作原理、結構及相關制造工藝，才能設計出結構合理、造型美觀、可制造性好的工業產品。因此，“機械基礎”課程對工業設計專業學生的工業產品設計及創新能力的培養至關重要[1]。

1 工業設計專業“機械基礎”課程教學現狀

1.1 教材與工業設計專業貼近度不夠

目前，工業設計專業大多借用非機類的“機械基礎”等相關教材，由于教材不是為工業設計專業需要而編寫的，其講解的內容有些是該專業學生很少接觸到的帶傳動、齒輪傳動、軸系零部件、螺紋連接、聯軸器、軸承等知識，工業設計專業學生很難將“機械基礎”內容與美術類工業設計專業聯系起來。傳統“機械基礎”教學內容往往以機械中的傳動、零件和機構等原理為例，缺少貼近工業設計專業相關的“機械基礎”內容，使得工業設計專業學生在進行工業產品設計時，無法將所學機械基礎知識有效地應用到工業產品設計中去。因此，學生在學習“機械基礎”課程時覺得乏味、無用而缺乏學習的興趣和動力[2-3]。

1.2 以“教”為主的教學方式不適合時代發展要求

工業設計專業中課程教學與其他理工科專業教學方式不同，大多是以專題設計或設計大作業的方式開展教學工作，課堂以學生為主體，采用開放教學管理模式讓學生自主學習和獨立設計，教師主要起指導和咨詢作用；師生互動交流頻繁又隨性，課堂氣氛輕松又活躍。而傳統“機械基礎”課程采取以教師理論講授為主，工業設計專業的學生難以適應“黑板上開機器”的教學方式，以致教學效果不理想。而“機械基礎”課程理論性較強，如直接讓學生進行工業產品設計，當涉及到“機械基礎”知識的應用時，學生不知從何下手。

2 工業設計“機械基礎”課程教學改革設計

從上述討論可以看出，工業設計專業“機械基礎”課程教學改革的內容主要涉及到教材和教學方式兩個方面。

2.1 教材的更新

傳統工業設計專業教學中所選用的“機械基礎”教材涵蓋專業多，大多以機械工程專業為主編寫的，不利于工業設計專業學生對機械知識認知的需要。通常美術專業的學生設計的產品其美術感都比較好，但其對工業產品可制造性的認知通常一般，而好的工業產品設計不但需要美感好，而且還需要可制造性好、產品物美價廉。因此，工業設計專業所選用的“機械基礎”教材要求專業貼合度要高，課程教學內容要以生產實際、市場需求為導向，教材內容要以工業設計、藝術設計與機械基礎等相結合的方式，基于上述理念，本文提出了“新機械基礎”教學改革方案。

教學內容從學生熟悉的簡單機械結構、材料、基本原理、可制造性認識入手。比如，可調整、可伸縮的書桌，讓學生了解可動、可調的機械機構都有哪些形式以及其結構穩定性、外部形狀、材料、連接方式、可制造性對產品設計的影響等。再如可通過對家用豆漿機、折疊自行車、洗衣機等工業產品來分析其機械結構、可制造性以及外觀造型等影響因素及其關聯性。

這些實際案例教學，不但能讓學生認識到不同內部結構是如何影響到其外部造型的，同時也能讓學生深刻理解“機械基礎”是工業設計專業重要的技術基礎課程。工業設計師只有較好地掌握了機械、材料、制造等相關工程知識，深入了解產品工作的結構原理及相關制造工藝，與工業產品設計知識相結合，才能設計出可制造性好、物美價廉的工業產品來[4-6]。

2.2 工業設計“新機械基礎”課程策劃

針對工業設計專業策劃的“新機械基礎”課程教材主要目錄如表1所示。

表1 工業設計“新機械基礎”課程目錄

3 工業設計“新機械基礎”課程教學與實踐

3.1 采用“新機械基礎”與工業產品設計相結合

“新機械基礎”與工業產品設計相結合課程教學的目標是通過這種方式來提高學生的學習能力和創新能力。工業產品內部相關工作原理、機械結構、制造方法等是學習難點之一，因此，課堂理論教學中應利用多媒體課件將有關機械基礎實體模型和工作原理通過錄像、動畫仿真等直觀形式演示出來，有助于學生對抽象的機械原理的理解，了解各機械機構的組成和運動傳遞關系等；同時錄像、動畫的演示能讓學生感受工業設計的機械結構美感，以提升學生對工業產品設計中的審美能力，激發工業設計專業學生對“新機械基礎”的學習興趣。

在講到齒輪傳動時以機械手表為例，講解機械手表如何計時，包括時針、分針和秒針及其結構設計美學等。機械手表實際案例教學能使學生體會到機械基礎在工業產品設計中的重要性和藝術性[7-8]。

a)機械手表機械結構

機械手表傳動系統一般采用齒輪傳動。齒輪除了把能源裝置的力矩輸送給擒縱調速器，維持振動系統作不衰減的振動外，還把擒縱輪的轉角按一定比例關系傳遞到秒輪、分輪及時輪，使指針機構指示出時刻、日期或星期。機械手表機械結構如圖1所示。

圖1 機械手表機械結構

b)機械手表基本工作原理

機械手表基本工作原理如圖2所示，主傳動系統將能源裝置輸出的能量傳遞給擒縱機構以維持擺輪游絲系統不衰減的振動，同時在不增加發條圈數的條件下，延長手表一次上弦的持續工作時間。

圖2 機械手表工作基本原理

擺輪游絲系統的能量是由擒縱機構供給的，游絲擒縱機構如圖3所示。

圖3 游絲擒縱機構

杠桿式擒縱機構主要由擒縱輪、擒縱叉和雙圓盤三部分組成，它的特點是利用擒縱輪齒與擒縱叉上的撥叉在釋放與傳動過程中將原動系統輸出的能量傳遞給擒縱叉，同時擒縱叉口又會與圓盤銷釘相互作用，擒縱叉通過圓盤銷釘將來自擒縱輪輸入的能量傳遞給擺輪游絲系統。通過這一系列的杠桿原理，擺輪游絲系統源源不斷地得到原動系統輸出的能量以維持該系統不衰減地振動，從而完成機心指示裝置準確走時的使命。

通過上述機械手表機械傳動原理使學生認識到機械傳動在現實生活中是如何應用的，提高對“新機械基礎”課程的認識感和興趣感。

c)材料與結構設計

在工業產品設計中常常涉及到材料和結構設計問題，在講解材料和結構關系時，以圖4所示的不同材料變元和結構變元產生的不同效果為例，講解了材料與結構的關系。

1)材料變元

材料變元有兩類：一是改變材料的物性，二是改變材料工作位置。改變材料的物性，即選用不同的工程材料，往往同時伴隨著加工工藝的變化。

2)結構變元

結構變元有兩層含義：其一，什么是機械構造的基本元素；其二，如何系統地、有規律地改變這些元素，從而產生多個可能性設計方案。

由圖4可看出3種不同材料(木材、塑料、金屬)與結構制作的夾子。由于3種材料性能相差很大，其結構形狀也相差甚遠[9]，在實際設計中要根據實際應用情況選擇不同材料和不同的變元結構。

圖4 不同材料變元和結構變元產生的不同效果

3.2 TRIZ創新理論與工業設計課程教學相融合

傳統教學授課以老師講授為主，缺乏以問題為導向的學生思維創新能力的培養過程，學生的思維受到教材書本的禁錮，最終導致思維慣性和惰性。近年來，陸續有些學校工業設計專業開設前蘇聯根里奇·阿奇舒勒先生為主研發的一種發明創新技術方法(簡稱TRIZ理論)課程。

比如以工業設計專業核心課程——造型設計基礎課程為例，其中重要的章節有“形態的創造及其方法”。采用傳統教學方法，在講形態的創造時老師反復會說要以創新的思想去構思形態美，具體用什么創新方法，往往又很難給學生講清楚工業設計是怎樣與創新理論相結合的，如何對工業產品進行創新的等等。

基于TRIZ理論思維教學的老師在講解這一章節時，以著名的LCW座椅為例(圖5)來講解如何用TRIZ理論進行創新設計。

圖5 LCW椅造型設計

LCW坐椅最大特點是它由一組模壓膠合板組成，每一部分都最大程度地突顯了它的特定功能，它將產品的優點組合在一起，較好地實現了結構簡潔、造型美、材料省、舒適性好等工業造型設計，獲得了制造商和使用者較高的滿意度[10]。

a)設計思維方式的創新

學生學習了 TRIZ 理論體系后，受LCW坐椅的啟發，依據工業產品設計情感性、舒適性設計原則，抽取座椅創新設計中存在的物理矛盾和技術矛盾，根據查詢矛盾矩陣得到發明原理的方法，在老師的引導下，結合自己專業知識，運用TRIZ理論40條發明創新原理的目錄中非對稱、曲面化和動態化原理的組合，提出并設計了一款“基于TRIZ的舒適座椅”(圖6)。

圖6 基于TRIZ的舒適座椅創新設計

在舒適座椅設計過程中，運用了學生們學過的造型設計基礎、新機械基礎和發明創新的TRIZ理論等知識，為舒適座椅創新設計奠定了基礎，而且學生們在心理上也很有成就感。課程教學中將零碎的機械基礎知識與產品設計聯系起來，讓學生明白所學“新機械基礎”在產品設計中是如何應用的。

b)教學方式的創新

在授課中采取多師同堂的教學模式，邀請與本課程相關的工業設計、機械設計、TRIZ理論課程相關的老師和企業工程師等進行同堂講授，依據每節課教學內容結合實際案例進行面對面講授，必要時可以現場進行演示教學。教學內容上注重工程性指導教學，將工程案例引入課堂教學中。

用工程項目貫穿課堂內容主線，將教學內容、工程實踐、專業領域新技術進行融合。引導學生大膽質疑，放飛思想，讓學生領會技術與方法，知識與實踐的貫通，促進創新能力和創造力的發展[11]。

c)畢業設計方式的創新

畢業設計通常來說是“總結設計”，也就是說通過畢業設計的方式，讓學生對幾年來所學的知識進行匯集總結，是為了讓學生能更好地作好畢業設計工作，在有條件的情況下能以工業產品設計的實際課題完成畢業設計工作。

我校2021年工業設計專業與某汽車4S店合作，以一種“可調擺臂式智能雨刮器”創新設計為課題，組織了工業產品設計專業3名學生聯合來完成課題。其中1名學生進行總體造型設計，1名學生進行機械系統設計，1名學生進行電氣系統設計。畢業設計計劃進度安排如表2所示。

表2 畢業設計計劃進度表

1)課題調研

通常課題調研是畢業設計的先期工作，通過課題調研會使學生了解到市場上現有雨刮器有哪些形式，各有什么優缺點，對雨刮器都有什么要求及期望。

通過調研，學生們了解到目前市場上雨刮器主要有有骨架雨刮器、無骨架雨刮器等多種類型。市面上的雨刮器主要存在著如下問題：有骨雨刮器壓力傳遞不均勻、刮水效果差、金屬支架重、驅動電動機負擔大、結構復雜、噪聲大等；無骨雨刮器規避有骨雨刮和三段式雨刮的缺點，用整體式鋼片代替金屬支架，膠條受力均勻，簡化了結構和減輕了質量，電動機負荷相對小，但是這種雨刮器也存在著雨刮器速度和噴水量不可調，水痕、擦痕大等問題。

調研工作結束后，組織畢業設計調研的學生開展討論，最后確定“可調擺臂式智能雨刮器”創新設計方案和每位學生的分工及主要設計內容。

2)課題設計

在課題確定的基礎上，開始課題設計工作(包括總體方案設計、子課題設計、結構方案設計、實驗和試驗研究、撰寫畢業論文和論文答辯等工作)。

汽車雨刮器是由電動機驅動、刮刷風窗玻璃外表面上雨水、雪霜和灰塵等物質的裝置。一般由永磁式電動機、曲面型刮片(曲刮)或平面型刮片(平刮)、彎鉤式刮桿或插入式刮桿組成。

①汽車雨刮器刮片活動方式的選擇

課題組學生通過對汽車雨刮器系統的種類學習，了解到刮片工作方式分為平行式、對向式和交叉式3種形式。經過分析討論認為平行刮片式最易制造，會使司機視覺更舒服。創新設計的平行刮片可調式智能雨刮器如圖7所示[12]。

圖7 螺旋齒輪滾珠絲桿驅動

在設計該雨刮器時，將“新機械基礎”課程中學到的平行四連桿機構原理應用到雨刮器刮臂中。當雨刮器安裝后刮臂位置不理想時，可通過對推桿A、B上壓板螺栓調整來改變雨刮器兩臂的初始與終止位置。當刮臂的刮刷角度不理想時，可通過更換偏心臂及擺臂兩軸的中心距來調整刮刷角度，滿足擺臂之間距離調整的要求。

②汽車雨刮器減速變方向驅動設計

考慮到傳統雨刮器左右擺動通常采用蝸輪蝸桿減速(滑動摩擦)方式，驅動摩擦力較大的問題，學生經過研究討論，把“新機械基礎”課程中學到的螺旋齒輪傳動可以改變傳動方向和滾珠絲杠可變回轉運動為直線運動的原理結合起來，設計了一種如圖8所示的滾珠絲杠與螺旋齒輪復合傳動減速器。在答辯時，參加答辯的老師認為，該雨刮器變滑動摩擦為滾動摩擦，可以有效地降低能耗，機構具有較好的創新性。

圖8 滾珠絲杠與螺旋齒輪復合傳動減速器

③汽車雨刮器智能控制技術的設計

根據課題設計總體思路要求，設計的可調擺臂式智能雨刮器控制系統如圖9所示。該系統的硬件主要包括紅外雨量檢測和雨刮器控制。此外人機界面包括按鍵輸入、LCD顯示。

圖9 可調擺臂式智能雨刮器控制原理框圖

圖10為雨量傳感器的紅外發射電路，由紅外LED、NPN型功率三極管和PNP型三極管組成。頻率調制的方波信號IFRP通過電阻R6加載到NPN型功率三極管Q1的基極，三極管Q1工作在放大狀態，紅外LED發出調制的脈沖紅外光，反饋電壓加載在PNP型三極管Q5的基極，反饋電壓增大紅外LED發光強度增強，反饋電壓降低紅外LED發光強度減弱。由此，紅外LED的發光強度受反饋電壓的控制，發光頻率受調制頻率控制。

圖10 雨量傳感器的紅外發射電路

雨刮電機控制采用專用的雨刮器控制芯片SX5125，控制雨刮器的多種工作狀態，如快刮、正常刮、洗刮、間歇刮等，應用電路及電路板分別如圖11、圖12所示。實際電路為了確保MSP430芯片和SX5125芯片之間的電平匹配，還加入3.3 V～5 V電平轉換芯片SN74ALVC164245。

圖11 智能雨刮器控制電路

圖12 智能雨刮器控制電板

3)制造安裝調試

學生設計好新型汽車智能雨刮器后，安排實驗室老師指導學生對設計的可調式智能雨刮器進行制造(包括機械加工、電氣控制以及安裝調試)，最后完成了整個新型智能汽車雨刮器開發工作。

4 結語

針對工業設計專業的“機械基礎”課程教學中存在的問題和不足，通過對其分析探討和教學改革，研究構建了“新機械基礎”課程教學目錄。

該“新機械基礎”與傳統的“機械基礎”課程教學目錄不同點在于：

1)增加了產品設計材料及加工認知基礎內容部分，側重介紹了常用機械制造方法，教學生在進行工業產品設計時需要考慮制造問題，即產品的可制造性問題；

2)增加了產品設計創新設計內容，重點介紹了TRIZ理論和40條發明創新原理內容，為工業產品創新設計提供了新科學理論方法；

3)在教學方式方面，創新地提出了多師同堂的教學和設計工程案例引入課堂的模式來改變社會對高職院校學生只能動手不能作創新設計的刻板印象；改變學生對自身能力的認知，打破學習的局限，提高學生學習的主動性；

4)通過實例畢業設計方式來教學生懂得工業產品設計工作通常有哪些步驟，是怎樣進行工業產品設計的，為學生進入社會能迅速開展工作奠定好基礎。通過理論結合實際的畢業設計使學生能夠改變對自身能力的認知，打破學習的局限，提高學生學習的主動性，強化自身的專業技術，養成良好的職業素養，培養終身學習能力；

5)通過工業設計專業“新機械基礎”課程教學改革來著力培養學生理論聯系實際的能力、產品設計和創新能力，提升學生的社會競爭能力。讓工業設計專業學生展開機械工程知識、藝術美學和創新設計復合作用的翅膀，使未來的工業產品設計師們翱翔得更高更遠。