机械创新设计的教学方法探索

创新是一个民族进步的灵魂，是国家兴旺发达的不竭动力。对于发达国家来说，技术创新对社会经济发展的贡献率已达到60%～80%。尽管我国已经成为世界第二经济体，近年来创新能力提高很快，创新成果也很丰富，但与世界发达国家的差距还很大，在高科技领域中，很多关键技术还要受制于人。所以，作为知识传播系统核心单位的高等学校，开展创新教育已经是势在必行。
机械创新设计这门课程作为机械原理与机械设计等专业基础课程的后续课程，旨在激发学生的创新思维、培养学生的创新意识和提高学生的创新设计和工程实践能力，能让学生将机械原理和机械设计等课程学习到的理论知识结合各种创新思维技法进行学以致用，此课程在教学中是十分重要的。此课程是我校机械制造设计及其自动化专业的专业选修课，虽然此门课程在我们校区开设的时间还不是很长，但是本课题组通过积极学习其他学校的教学经验，并结合我们校区的实际情况，对此课程的教学方法和实践环节进行了许多研讨，开设了32学时的机械创新设计课程，并配备了1周的机械创新设计实训，使理论学习和实践操作相结合，通过几年的课程教学实践，我们获得了一些关于机械创新设计课程的教学经验。
1　变被动为主动　进行讨论式教学
刚开始按照传统教学模式教授此门课程时，直接给学生灌输各种创新思维、创新技法，虽然上课过程中结合了一些经典案例进行教学，在类似仿生创新授课中也给学生播放了一些仿生机械的动画，学生虽然听案例和看动画都很入神，但是大部分学生都只是被动地听讲，没有积极主动地进行对相关案例的思考，没有分析案例和动画中包含了哪些创新原理和创新技法，没有主动思考创新原理如何运用到实践中。这是传统教学模式存在的普遍弊端。
随着教学的深入，逐渐接触到了一些思维方式的创新方法，如群体集智法。群体集智法是指集中群体智慧，并激励思维，进行创新。此技法是一种群体操作型的创新技法。群体集智法常采用的具体实施方式有：会议式、书面式、卡片式。
群体集智法能够很好地激发创新思维，可以采用这种创新技法融入机械创新设计课程的授课中，使学生主动地参与到创新思维中，而不再是被动地接受知识的灌输，变被动式学习为主动式学习。当学生在学习了一些创新原理后，可以给定一个合适的命题，进行这样采用群体集智法的讨论式教学，能够让学生参与到创新中，更好地理解创新原理的本质和更好地掌握这些创新原理的运用，激发学生的创新思维，提高创新能力。
在近几年的机械创新设计课程授课过程中，采用了这样的讨论式教学。例如，在进行发散式思维方式这一内容教学时，就组织学生采用了书面集智法进行了关于“如何分理1元、五角和一角的硬币”这一命题的讨论，学生提出了许多种解决方式，如从质量角度考虑，采用惯性筛、斜面滑落等措施；从直径角度考虑，采用不同直径的孔分离；从密度角度考虑，采用油液控制，根据沉浮高度不同来区分；从颜色角度考虑，采用激光扫描仪进行扫描等措施。从课堂效果和课后与学生的交流反馈来看，学生通过这样主动地参与创新设计的思考，更好地理解和掌握了发散思维和书面集智法等创新技法，而且培养了创新思维能力。
2　游戏引出创新方法　提高学生学习兴趣
美国心理学家布鲁纳说：最好的学习动力莫过于学生对所学知识有内在兴趣，而最能激发学生这种内在兴趣的莫过于游戏。与发达国家学校的那种宽松活泼的课堂气氛相比，我们的课堂存在着一些明显的缺陷，如刻板枯燥，即便是非常有趣的课堂，学生在集中精力听了15～20分钟以后也会渐渐让失去注意力。
学生如果觉得课堂内容枯燥乏味，就会感到拘束紧张，提不起精神，就可能产生一些厌学情绪[4]。这些问题在我们大学课堂的授课中尤为严重。
教师授课过程中如何充分调动学生学习的主动性和积极性，最大限度地挖掘学生的学习潜力，是目前教师授课过程中的一个难点。在近几年机械创新设计课程授课过程中，采用了一些游戏教学法，取得了不错的教学效果。
第一，可以通过有趣的游戏导入课程的学习，让学生在刚开始上课时就处于愉悦的气氛中，使学生一开始就进入最佳的学习状态。在讲授逆反创新这一创新技法时，刚开始上课时和学生玩一下猜谜语游戏。例如“必须生产出正品，打一成语”，“根、茎、叶，打一水果”等[5]，这些谜语都是从逆向思维的角度得到答案，谜底分别是“不可造次”和“无花果”。学生从猜谜游戏中先引入反向思维这一概念，在接下来逆反创新课程讲解时，能更好地理解和掌握这一创新技法。
第二，可以通过游戏培养学生的发散思维，可以在课上组织学生通过游戏来进行一些生活中常见物品的发散思维训练。例如，在PPT上放一个啤酒瓶或订书钉的图片，组织学生回答这些常见物品的使用功能，可以进行个别提示后，让学生发挥想象力，自由畅想，回答出这些常见物品的基本使用功能外的具备的其他功能，充分锻炼学生的发散思维。
第三，教师还可以将整个课堂设计为不同的辩论场，把课堂内容的授课变为学生间的相互辩论，让他们在这些表现舞台上尽情施展自己闪光的一面。例如在讲到《思维定势》这一章节时，可以提前给学生布置好任务，组织学生在课堂上进行一些思维定势的正反双方辩论。通过自身的参与，提高学生对学习内容的理解和掌握。
3 结合实训教学　参与创新实践
单纯地理论教学，学生只能了解到这些创新技法，只有参与实践，将所学知识通过实际操作加以运用，才能更好地理解和掌握课堂上教授的创新技法。
为此我校区在开设机械创新设计理论课程时，配有该课程的1周实训课程，让学生能将学习到的创新原理能够运用到实际设计中，学以致用，更好地理解和掌握这些创新技法。
为了便于机械创新设计实训课程的展开，本校区购买了一系列机械创新设计实训相关的实验设备，如空间机构创意组合及动态参数测试实验台、空间机构创新设计拼装及仿真实验台(如图1所示)、平面机构创意组合测试分析及仿真实验台等。这些设备不仅可以让学生将所设计的机构进行实物搭建，而且配备有相关的仿真软件，可以通过虚拟仿真先进行模拟搭建，验证设计机构的合理性。
在机械创新设计理论课程中，先给学生布置些机械创新设计实训的题目，如糕点切片机、花生红衣脱皮机、草坪剪草机等命题，或者也可让学生自由命题，在学习理论课程的过程中，运用学习的创新技法对这些命题机构进行机械方案设计，确定好采用的运动机构，绘制出运动简图，设计好基本的结构尺寸。
完成以上任务后，就可以去实验室进行软件仿真模拟和实物搭建，验证方案设计的合理性。
实训期间实验室采用开放的管理模式，学生可以集中时间段进行机构的实物搭建，根据实际搭建结果验证和改进所设计的机构方案，从而得到优化的设计结果。
 
图1 空间机构创新设计拼装及仿真实验台
通过这样理论结合实训课程的开展，学生更深刻地理解和掌握了学习到的各种创新技法，更好地培养和提高了学生的创新能力。
4　布置专利撰写作业　激发学生创新灵感
专利是最能体现创新成果的一种文件形式。在授课过程中，开展了一堂关于专利撰写方面的讲课。通过几个事例论述了专利的作用和申请专利的原因，讲述了专利的类型和属性，最后结合实例讲述了申请专利所需的文件和步骤，让学生对撰写专利有初步的认识。在此基础上，结合机械创新实训的命题，给学生布置了专利撰写作业，通过让学生参与专利的撰写，进一步激发学生的创新灵感，提高学生的创新能力和对创新成果的保护能力。
在近几年授课中，学生通过机械创新设计课程的学习，提高了创新设计能力，撰写了一些实用新型和发明专利，如一种四段式轮履结合智能越障机器人、船体附生物清理机构以及船体附生物自动清理设备、一种船体附着物柔性清扫装置等。
5　结合机械创新设计大赛命题
全国大学生机械创新设计大赛是由教育部高等教育司举办的一项全国大学生重要科技竞赛活动。参加该活动能够培养大学生工程实践素质，增强学生机械创新思维和机械创新设计综合能力，提高学生针对实际需求进行创新设计和实物制作的实践工作能力[6,7]。
基于此，在本门课程的授课过程中结合过去机械创新设计大赛的优秀作品进行理论课程的学习，例如在讲授组合创新这一创新技法时，结合第一届全国大学生机械创新设计大赛中获得一等奖的作品多功能齿动平口钳的案例来进行论述，使学生更好理解组合创新的同时，了解机械创新设计大赛的获奖作品的创新本质。在布置实训任务时，结合机械创新设计大赛的一些命题来布置，既锻炼了学生的创新设计能力，又为机械创新设计大赛做一些准备。例如在上学期的机械创新设计实训中，就以第六届机械创新设计大赛中的钱币分理装置、包装机械、运输助力机械等进行了命题，一些学生设计了一些不错的作品，并参加了刚结束的江苏省机械创新设计大赛，获得了不错的成绩，如图2所示的自动钱币分理机。
6 结束语
机械创新设计作为一门创新设计类课程，对于机械专业学生的创新能力的培养是非常重要的。近几年的教学中，本课题组积累了一些教学经验，采用讨论式教学、游戏教学、实训教学等手段相结合，激发了学生的创新思维，提高了学生对创新技法的理解和掌握，增强了学生创新设计的能力。