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机械创新设计与实践课程教学探讨

摘要:为了提高机制专业学生的创新能力,通过实际的调研和前期教学的经验,在2016级本科教学大纲增加“专业机械创新设计与实践”课程,从调动学生的积极性出发,提出了机械创新设计与实践课程理论和实践相结合的运作模式,从而培养机制专业学生的主动参与意识和创新意识,这对提高课程的实践教学质量和培养机制专业学生的工程能力,推进高等教育的完善,具有十分重要的意义。

关键词:机械创新设计;理论;实践;创新意识;工程能力

一、机械创新设计与实践课程的性质

“机械创新设计与实践”课程是机械设计制造及自动化专业2016年教学计划中的学院的平台课,是机制专业在2016级教学计划中新增加的课程,预计在第六学期开设。该课程着重培养学生创新思维、创新能力、工程应用与实践能力,使学生学会、掌握一般创新设计技法,掌握针对某一需求(或功能)进行功能原理创新设计、机构创新设计、结构创新设计的方法,或发现潜在的需求,进而开发新产品的能力,在此基础上进行提升创新设计能力和工程训练综合能力[1-3]。在教学模式的构建、教学方法的运用、教学手段的使用和考核方式的改革等方面均围绕着培养学生的创新能力和实际动手能力来进行设计[4]。“机制创新设计与实践”课程理论内容包括创新原理与技法、方案创新设计、机构与结构创新设计、TRIZ理论与创新设计和基于项目的创新方案设计等,旨在培养学生提升创新能力的同时,将创新思维、技法应用到专业学习实践中,达到创新教育与专业教育相融合的目的,使学生具有较为全面的专业知识和扎实的理论基础。“机制创新设计与实践”实践内容包括基于项目的机械创新方案的数字化设计、基于项目的设计方案运动模拟与分析和项目的加工制作。

二、理论与实践相结合,构建多层次的课程体系

为了进一步开展强化创新实践的工程教育新模式的改革与实践,培养实践动手能力强、富于创新精神的工程创新型人才,2016年,学校进一步加大了实践设施建设,在新建的实训实验中心增加了大学生创新设计实验室的活动空间,作为本科学生专业工程训练和实践基地,用于学生创新、研发、制作,为课程教学改革奠定了基础[5]。经过前期多年的教学经验的积累,在新设置课程“机制创新设计与实践”教学计划中着重培养学生创新设计能力和工程创新训练,其中理论授课学时为16学时,课内实验学时为16学时,同时打破了课内实验教学的传统模式,将学生课外的创新实验也纳入教学体系之中,增设了课外开放创新实验、工程训练和创新设计竞赛等课外的实践环节,形成了理论与实际相结合、课内和课外相结合的多层次课程体系。“机制创新设计与实践”课程理论教学环节主要包括以下几个方面:创新原理与技法包括创新思维、创新理论、创新技法以及机械创新设计方法等内容;方案创新设计包括机械系统原理方案、执行系统方案、传动系统方案的设计;机构与结构创新设计包括机构形式设计的原则、机构方案的评价、机构的构型。掌握机构的构型;TRIZ理论与创新设计包括讲授TRIZ理论的基本概念,技术系统及其进化法则,TRIZ理论及其应用等;基于项目的创新方案设计主要以大学生机械设计竞赛优秀作品为例进行案例教学。“机制创新设计与实践”课内实践环节具体的实施过程是利用三维软件进行典型机械装置的设计,利用二维、三维软件进行典型机械装置的运动模拟与分析,针对前一个实验的设计方案进行实物的加工制作,3个人一小组,制作一个机械创新装置。具体的项目设计的内容是结合已学的机械结构完成具体问题的创新设计,充分利用大学生创新实验室的设备完成指定问题的实物制作,培养学生具有分析问题和解决问题的实际工作能力。

三、加强课外实践环节,提高学生工程实践能力与创新能力

实验教学内容重在实践、鼓励创新,突出综合、强调能力。同时,打破了课内实验教学的传统模式,将学生课外的创新实验实践也纳入教学体系之中。将“做中学”理念融入课程教学,强化创新教育与专业教育的深度融合,加强了本专业学生的创新教育与工程实践训练[6]。(一)开设开放创新实验。在2016年之前的课外实践环节中,为了使本专业学生能够学习到更多地知识技能,每个学期设置一些开放性创新实验,如基于3D打印技术的机构创新实验,效果良好,学生可以获得创新学分。学生共获得创新学分人数300多人次,并且也为他们的就业奠定了一定的基础。从教学经验可以看出开设开放实验对于提高学生的工程能力有着重要的作用。在新设置“机制创新设计与实践”课程中可以进行开放实验的设置,参考题目如基于3d打印技术的机构创新设计开放实验、基于3d打印技术的典型模具设计开放实验等。开放实验题目可以自行拟定、指导教师命题、企业命题、各种学科竞赛命题,主要以学生自我创新为主进行机构创新、结构创新设计。学生主要通过三维造型、3D打印、机构搭接试验台、模型制作、模具设计及数控编程等形式进行模拟仿真或实物模型仿真。经过此环节的训练,学生无论是理论知识的融会贯通还是实践技能和创新能力都能获得了质的飞跃。(二)进行创新创业项目研究。“机制创新设计与实践”课程教学团队教师负责指导学生申报校级以上大学生创新创业项目。注重以项目研究为载体,开展原理方案设计、答辩、实验实施、数据处理与分析、样机制作等具体的项目研究工作,让学生接受较为系统的训练,体验项目研究的完整性,完成实践能力的锻炼和经验的积累。项目结题需提交研究报告,研究成果至少包括实物、专利、竞赛获奖其中的一项,每个项目成员由3人组成。(三)开展工程训练。在学生的工程训练过程中,计划在“机制创新设计与实践”课程的实践环节中设置一些训练项目,如无碳越障小车(重力势能驱动,绕“8”字或按正弦曲线行走)、循迹(或搬运)机器人训练项目、创新创意设计等项目,进行工程实践基础训练,每个项目小组由3人组成。其中无碳小车竞赛创新设计题目可以参考如下:“小车支架零件创新设计”“小车导向机构零件创新设计”“小车底盘零件创新设计”“小车传动机构传动齿轮的创新设计”等,也可自行设计题目。这些题目在设计上遵循自主创新的原则,每个设计图形都要求具有一定的复杂程度,在原理和实践上同时培养了大学生在专业技能方面的经验[7]。项目融合了实践性、综合性、创新性,有利于学生主动学习、主动实践和团队精神的培养,有利于学生创新意识和实践能力的养成。在创新创意项目中:例如设置创新设计主题为“创新创意”,内容为“结合先进的制造方法进行五金、家居、玩具、家电、机械、汽车等六类工业产品的创新创意设计”。要求完成以下几个方面内容:利用3D打印机实现作品原型,对比设计方案与3D原型,修改设计方案,记录设计-验证-再设计的过程,编写并提交3D打印模型的检测报告等。编写3D打印工艺设计文件(根据产品造型3D模型,结合3D打印工艺特点,综合考虑精度、质量、加工速度、节省支撑材料、方便支撑材料手工剥除、后处理容易等因素,确定产品结构形式及快速成型时工件的姿态)。通过3D打印机制作出的未进行后处理的设计作品一件。根据3D打印工艺设计文件,在3D打印设备许可的范围内选择设备工作参数。启动设备进行产品的制作,制作过程中可以采取暂停等措施进行必要的人工干预,也可以采取全自动的方式进行制作[8]。(四)开展学科创新设计竞赛。为了进一步解决专业课程教学内容与工程实践过于脱离,突出本课程“重在实践,鼓励创新,突出综合,强调能力”的教学目标,引导学生参加校级或院级以上专业竞赛,并作为课程考核选项的内容之一[9]。目前,校级或院级以上与专业密切相关的竞赛有“机械创新设计竞赛”“机器人竞赛”“工程能力综合竞赛”“创新创意设计竞赛”每年举办一次。参赛作品为设计图纸、三维仿真、实物(或模型)制作等。近几年,机制专业学生参加省级以上创新类竞赛取得了优异的成绩,例如辽宁省首届“TRIZ”杯创新大赛TRIZ理论应用(硬币分类系统),辽宁省首届“TRIZ”杯创新大赛TRIZ理论应用(搬运车的轮胎履带转换机构),辽宁省机械设计竞赛(塑缠式硬币自动包装机、全自动包装封箱一体机、全自动书本包装机、自动送纸硬币包装机、硬币分类包装机),第十二届辽宁省“挑战杯”竞赛(助残健身轮椅、一体式轮胎履带转换运输车),其中指导本科生参加2012年辽宁省机械设计大赛(蚂蚱滑板车)获得了省一等奖,2016年全国机械创新设计大赛作品硬币分类包装机获得了全国一等奖等好成绩。获奖作品同时可获得创新学分。学院规定创新学分中,至少应有0.5学分为通过专业竞赛获得,也为课程教学提供了保障。

四、建立多元考核评价方式

围绕教学目标、教学内容,采用模块化考核体系。将考核分为四个模块,实施了“平时考核+课内考核+课外实践考核+答辩考核”考试方式。平时考核:主要考核学习主动性,提出问题的优良性、主动性,作业、报告完成质量等。课内考核:指课内知识点的考核,考核采用结果与过程结合、仿真与实操结合。课外实践考核:课外实践实施分层次教学,至少完成开放性实验、创新创业项目、工程训练(无碳小车制作、循迹(搬运)机器人制作)、学科竞赛四项中的一项,侧重创新性、工程性、完成质量。答辩考核:采用答辩的方式对设计结果进行考核。多元化考核评价方式,提高了学生学习的主动性,强化了平时学习的投入,突出了创新能力和专业能力评价[10]。经过多年改革整合和建设,目前课程着重培养学生创新设计能力和工程创新训练,理论授课学时为20学时,课内实验学时为12学时,同时打破了课内实验教学的传统模式,将学生课外的创新实验也纳入教学体系之中,增设了课外开放创新实验、工程训练和创新设计竞赛等课外的实践环节,形成了理论实际相结合、课内和课外相结合的多层次课程体系,如表1所示。根据“加强基础、融合专业、因材施教、重点培养”的指导思想,制定了图1所示的“创新教育”与“专业教育”相融合的培养方案,课程教学模式分为三个相互融合的模块,完成创新教育与专业教育融合。通过创新课程的学习,大学生的创新理论和创新实践技能都得到很大的提高,创新课程实施后的效果如图1所示。

五、结语

2016教学计划中“机械创新设计与实践”课程包括了课内实践和课外实践两部分,边做边学。课内实践包括实训、实验、基本工程训练等环节;课外实践包括工程能力综合训练、开放创新实验、创新创业项目训练、学科竞赛等环节。课内实践侧重基础训练,课外实践侧重工程综合能力训练,全方位扩展相关知识,使知识结构更趋完整。每个实践单元既独立又相互联系,从虚拟仿真到实物加工,相辅相成,共同完成能力培养。由于课程的“课外实践”全部采用实际设计题目,其中有一部分是参赛题目,所以,学生的部分作业参加了设计竞赛,并获得了众多奖项,这对锻炼学生的实战能力,调动学生的学习热情具有极其重要的作用。

作者:张晓光 王宏祥 单位:辽宁工业大学

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