機械創(chuàng )新設計的教學(xué)方法探索

創(chuàng )新是一個(gè)民族進(jìn)步的靈魂，是國家興旺發(fā)達的不竭動(dòng)力。對于發(fā)達國家來(lái)說(shuō)，技術(shù)創(chuàng )新對社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展的貢獻率已達到60%～80%。盡管我國已經(jīng)成為經(jīng)濟體，近年來(lái)創(chuàng )新能力提高很快，創(chuàng )新成果也很豐富，但與世界發(fā)達國家的差距還很大，在高科技領(lǐng)域中，很多關(guān)鍵技術(shù)還要受制于人。所以，作為知識傳播系統核心單位的高等學(xué)校，開(kāi)展創(chuàng )新教育已經(jīng)是勢在必行。
機械創(chuàng )新設計這門(mén)課程作為機械原理與機械設計等專(zhuān)業(yè)基礎課程的后續課程，旨在激發(fā)學(xué)生的創(chuàng )新思維、培養學(xué)生的創(chuàng )新意識和提高學(xué)生的創(chuàng )新設計和工程實(shí)踐能力，能讓學(xué)生將機械原理和機械設計等課程學(xué)習到的理論知識結合各種創(chuàng )新思維技法進(jìn)行學(xué)以致用，此課程在教學(xué)中是十分重要的。此課程是我校機械制造設計及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)選修課，雖然此門(mén)課程在我們校區開(kāi)設的時(shí)間還不是很長(cháng)，但是本課題組通過(guò)積極學(xué)習其他學(xué)校的教學(xué)經(jīng)驗，并結合我們校區的實(shí)際情況，對此課程的教學(xué)方法和實(shí)踐環(huán)節進(jìn)行了許多研討，開(kāi)設了32學(xué)時(shí)的機械創(chuàng )新設計課程，并配備了1周的機械創(chuàng )新設計實(shí)訓，使理論學(xué)習和實(shí)踐操作相結合，通過(guò)幾年的課程教學(xué)實(shí)踐，我們獲得了一些關(guān)于機械創(chuàng )新設計課程的教學(xué)經(jīng)驗。
1 變被動(dòng)為主動(dòng) 進(jìn)行討論式教學(xué)
剛開(kāi)始按照傳統教學(xué)模式教授此門(mén)課程時(shí)，直接給學(xué)生灌輸各種創(chuàng )新思維、創(chuàng )新技法，雖然上課過(guò)程中結合了一些經(jīng)典案例進(jìn)行教學(xué)，在類(lèi)似仿生創(chuàng )新授課中也給學(xué)生播放了一些仿生機械的動(dòng)畫(huà)，學(xué)生雖然聽(tīng)案例和看動(dòng)畫(huà)都很入神，但是大部分學(xué)生都只是被動(dòng)地聽(tīng)講，沒(méi)有積極主動(dòng)地進(jìn)行對相關(guān)案例的思考，沒(méi)有分析案例和動(dòng)畫(huà)中包含了哪些創(chuàng )新原理和創(chuàng )新技法，沒(méi)有主動(dòng)思考創(chuàng )新原理如何運用到實(shí)踐中。這是傳統教學(xué)模式存在的普遍弊端。
隨著(zhù)教學(xué)的深入，逐漸接觸到了一些思維方式的創(chuàng )新方法，如群體集智法。群體集智法是指集中群體智慧，并激勵思維，進(jìn)行創(chuàng )新。此技法是一種群體操作型的創(chuàng )新技法。群體集智法常采用的具體實(shí)施方式有：會(huì )議式、書(shū)面式、卡片式。
群體集智法能夠很好地激發(fā)創(chuàng )新思維，可以采用這種創(chuàng )新技法融入機械創(chuàng )新設計課程的授課中，使學(xué)生主動(dòng)地參與到創(chuàng )新思維中，而不再是被動(dòng)地接受知識的灌輸，變被動(dòng)式學(xué)習為主動(dòng)式學(xué)習。當學(xué)生在學(xué)習了一些創(chuàng )新原理后，可以給定一個(gè)合適的命題，進(jìn)行這樣采用群體集智法的討論式教學(xué)，能夠讓學(xué)生參與到創(chuàng )新中，更好地理解創(chuàng )新原理的本質(zhì)和更好地掌握這些創(chuàng )新原理的運用，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng )新思維，提高創(chuàng )新能力。
在近幾年的機械創(chuàng )新設計課程授課過(guò)程中，采用了這樣的討論式教學(xué)。例如，在進(jìn)行發(fā)散式思維方式這一內容教學(xué)時(shí)，就組織學(xué)生采用了書(shū)面集智法進(jìn)行了關(guān)于“如何分理1元、五角和一角的硬幣”這一命題的討論，學(xué)生提出了許多種解決方式，如從質(zhì)量角度考慮，采用慣性篩、斜面滑落等措施；從直徑角度考慮，采用不同直徑的孔分離；從密度角度考慮，采用油液控制，根據沉浮高度不同來(lái)區分；從顏色角度考慮，采用激光掃描儀進(jìn)行掃描等措施。從課堂效果和課后與學(xué)生的交流反饋來(lái)看，學(xué)生通過(guò)這樣主動(dòng)地參與創(chuàng )新設計的思考，更好地理解和掌握了發(fā)散思維和書(shū)面集智法等創(chuàng )新技法，而且培養了創(chuàng )新思維能力。
2 游戲引出創(chuàng )新方法 提高學(xué)生學(xué)習興趣
美國心理學(xué)家布魯納說(shuō)：好的學(xué)習動(dòng)力莫過(guò)于學(xué)生對所學(xué)知識有內在興趣，而能激發(fā)學(xué)生這種內在興趣的莫過(guò)于游戲。與發(fā)達國家學(xué)校的那種寬松活潑的課堂氣氛相比，我們的課堂存在著(zhù)一些明顯的缺陷，如刻板枯燥，即便是非常有趣的課堂，學(xué)生在集中精力聽(tīng)了15～20分鐘以后也會(huì )漸漸讓失去注意力。
學(xué)生如果覺(jué)得課堂內容枯燥乏味，就會(huì )感到拘束緊張，提不起精神，就可能產(chǎn)生一些厭學(xué)情緒[4]。這些問(wèn)題在我們大學(xué)課堂的授課中尤為嚴重。
教師授課過(guò)程中如何充分調動(dòng)學(xué)生學(xué)習的主動(dòng)性和積極性，大限度地挖掘學(xué)生的學(xué)習潛力，是目前教師授課過(guò)程中的一個(gè)難點(diǎn)。在近幾年機械創(chuàng )新設計課程授課過(guò)程中，采用了一些游戲教學(xué)法，取得了不錯的教學(xué)效果。
，可以通過(guò)有趣的游戲導入課程的學(xué)習，讓學(xué)生在剛開(kāi)始上課時(shí)就處于愉悅的氣氛中，使學(xué)生一開(kāi)始就進(jìn)入佳的學(xué)習狀態(tài)。在講授逆反創(chuàng )新這一創(chuàng )新技法時(shí)，剛開(kāi)始上課時(shí)和學(xué)生玩一下猜謎語(yǔ)游戲。例如“必須生產(chǎn)出，打一成語(yǔ)”，“根、莖、葉，打一水果”等[5]，這些謎語(yǔ)都是從逆向思維的角度得到答案，謎底分別是“不可造次”和“無(wú)花果”。學(xué)生從猜謎游戲中先引入反向思維這一概念，在接下來(lái)逆反創(chuàng )新課程講解時(shí)，能更好地理解和掌握這一創(chuàng )新技法。
第二，可以通過(guò)游戲培養學(xué)生的發(fā)散思維，可以在課上組織學(xué)生通過(guò)游戲來(lái)進(jìn)行一些生活中常見(jiàn)物品的發(fā)散思維訓練。例如，在PPT上放一個(gè)啤酒瓶或訂書(shū)釘的圖片，組織學(xué)生回答這些常見(jiàn)物品的使用功能，可以進(jìn)行個(gè)別提示后，讓學(xué)生發(fā)揮想象力，自由暢想，回答出這些常見(jiàn)物品的基本使用功能外的具備的其他功能，充分鍛煉學(xué)生的發(fā)散思維。
第三，教師還可以將整個(gè)課堂設計為不同的辯論場(chǎng)，把課堂內容的授課變?yōu)閷W(xué)生間的相互辯論，讓他們在這些表現舞臺上盡情施展自己閃光的一面。例如在講到《思維定勢》這一章節時(shí)，可以提前給學(xué)生布置好任務(wù)，組織學(xué)生在課堂上進(jìn)行一些思維定勢的正反雙方辯論。通過(guò)自身的參與，提高學(xué)生對學(xué)習內容的理解和掌握。
3 結合實(shí)訓教學(xué) 參與創(chuàng )新實(shí)踐
單純地理論教學(xué)，學(xué)生只能了解到這些創(chuàng )新技法，只有參與實(shí)踐，將所學(xué)知識通過(guò)實(shí)際操作加以運用，才能更好地理解和掌握課堂上教授的創(chuàng )新技法。
為此我校區在開(kāi)設機械創(chuàng )新設計理論課程時(shí)，配有該課程的1周實(shí)訓課程，讓學(xué)生能將學(xué)習到的創(chuàng )新原理能夠運用到實(shí)際設計中，學(xué)以致用，更好地理解和掌握這些創(chuàng )新技法。
為了便于機械創(chuàng )新設計實(shí)訓課程的展開(kāi)，本校區購買(mǎi)了一系列機械創(chuàng )新設計實(shí)訓相關(guān)的實(shí)驗設備，如空間機構創(chuàng )意組合及動(dòng)態(tài)參數測試實(shí)驗臺、空間機構創(chuàng )新設計拼裝及仿真實(shí)驗臺(如圖1所示)、平面機構創(chuàng )意組合測試分析及仿真實(shí)驗臺等。這些設備不僅可以讓學(xué)生將所設計的機構進(jìn)行實(shí)物搭建，而且配備有相關(guān)的仿真軟件，可以通過(guò)虛擬仿真先進(jìn)行模擬搭建，驗證設計機構的合理性。
在機械創(chuàng )新設計理論課程中，先給學(xué)生布置些機械創(chuàng )新設計實(shí)訓的題目，如糕點(diǎn)切片機、花生紅衣脫皮機、草坪剪草機等命題，或者也可讓學(xué)生自由命題，在學(xué)習理論課程的過(guò)程中，運用學(xué)習的創(chuàng )新技法對這些命題機構進(jìn)行機械方案設計，確定好采用的運動(dòng)機構，繪制出運動(dòng)簡(jiǎn)圖，設計好基本的結構尺寸。
完成以上任務(wù)后，就可以去實(shí)驗室進(jìn)行軟件仿真模擬和實(shí)物搭建，驗證方案設計的合理性。
實(shí)訓期間實(shí)驗室采用開(kāi)放的管理模式，學(xué)生可以集中時(shí)間段進(jìn)行機構的實(shí)物搭建，根據實(shí)際搭建結果驗證和改進(jìn)所設計的機構方案，從而得到優(yōu)化的設計結果。
 空間機構創(chuàng )新組合及虛擬演示實(shí)驗臺
圖1 空間機構創(chuàng )新設計拼裝及仿真實(shí)驗臺
通過(guò)這樣理論結合實(shí)訓課程的開(kāi)展，學(xué)生更深刻地理解和掌握了學(xué)習到的各種創(chuàng )新技法，更好地培養和提高了學(xué)生的創(chuàng )新能力。
4 布置撰寫(xiě)作業(yè) 激發(fā)學(xué)生創(chuàng )新靈感
是能體現創(chuàng )新成果的一種文件形式。在授課過(guò)程中，開(kāi)展了一堂關(guān)于撰寫(xiě)方面的講課。通過(guò)幾個(gè)事例論述了的作用和申請的原因，講述了的類(lèi)型和屬性，后結合實(shí)例講述了申請所需的文件和步驟，讓學(xué)生對撰寫(xiě)有初步的認識。在此基礎上，結合機械創(chuàng )新實(shí)訓的命題，給學(xué)生布置了撰寫(xiě)作業(yè)，通過(guò)讓學(xué)生參與的撰寫(xiě)，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的創(chuàng )新靈感，提高學(xué)生的創(chuàng )新能力和對創(chuàng )新成果的保護能力。
在近幾年授課中，學(xué)生通過(guò)機械創(chuàng )新設計課程的學(xué)習，提高了創(chuàng )新設計能力，撰寫(xiě)了一些實(shí)用新型和發(fā)明，如一種四段式輪履結合智能越障機器人、船體附生物清理機構以及船體附生物自動(dòng)清理設備、一種船體附著(zhù)物柔性清掃裝置等。
5 結合機械創(chuàng )新設計大賽命題
全國大學(xué)生機械創(chuàng )新設計大賽是由教育部高等教育司舉辦的一項全國大學(xué)生重要科技競賽活動(dòng)。參加該活動(dòng)能夠培養大學(xué)生工程實(shí)踐素質(zhì)，增強學(xué)生機械創(chuàng )新思維和機械創(chuàng )新設計綜合能力，提高學(xué)生針對實(shí)際需求進(jìn)行創(chuàng )新設計和實(shí)物制作的實(shí)踐工作能力[6,7]。
基于此，在本門(mén)課程的授課過(guò)程中結合過(guò)去機械創(chuàng )新設計大賽的作品進(jìn)行理論課程的學(xué)習，例如在講授組合創(chuàng )新這一創(chuàng )新技法時(shí)，結合屆全國大學(xué)生機械創(chuàng )新設計大賽中獲得一等獎的作品多功能齒動(dòng)平口鉗的案例來(lái)進(jìn)行論述，使學(xué)生更好理解組合創(chuàng )新的同時(shí)，了解機械創(chuàng )新設計大賽的獲獎作品的創(chuàng )新本質(zhì)。在布置實(shí)訓任務(wù)時(shí)，結合機械創(chuàng )新設計大賽的一些命題來(lái)布置，既鍛煉了學(xué)生的創(chuàng )新設計能力，又為機械創(chuàng )新設計大賽做一些準備。例如在上學(xué)期的機械創(chuàng )新設計實(shí)訓中，就以第六屆機械創(chuàng )新設計大賽中的錢(qián)幣分理裝置、包裝機械、運輸助力機械等進(jìn)行了命題，一些學(xué)生設計了一些不錯的作品，并參加了剛結束的江蘇省機械創(chuàng )新設計大賽，獲得了不錯的成績(jì)，如圖2所示的自動(dòng)錢(qián)幣分理機。
6 結束語(yǔ)
機械創(chuàng )新設計作為一門(mén)創(chuàng )新設計類(lèi)課程，對于機械專(zhuān)業(yè)學(xué)生的創(chuàng )新能力的培養是非常重要的。近幾年的教學(xué)中，本課題組積累了一些教學(xué)經(jīng)驗，采用討論式教學(xué)、游戲教學(xué)、實(shí)訓教學(xué)等手段相結合，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng )新思維，提高了學(xué)生對創(chuàng )新技法的理解和掌握，增強了學(xué)生創(chuàng )新設計的能力。