面向技术创新的机械创新设计实践体系优化方案

一、创新设计实践体系构建的意义

高等学校作为国家知识创新和技术创新体系的基础，承担着培养具有创新精神和实践能力的高级技术人才的重任。加强对大学生的创新意识和创新能力的培养，对于增强我国自主创新能力，建设创新型国家具有重要的战略意义。因此强化实践环节，突出动手能力和创新能力的培养成为高等教育改革的重要内容。显然学生创新精神和创新能力的培养不是靠某几门课程能够解决的，它是一个系统工程，涉及整个教育模式和教育环境的改革与创新问题。因此要想使培养的学生具有强烈的创新意识和创新能力，一定要转变教育观念，给学生提供能够实现创新的学习氛围和进行创新实践的舞台。

因此创新教育应该贯穿于整个教学过程中的各个环节，特别是实践环节，更应该具有系统而合理的设置，全方位培养学生的创新实践能力，为生产一线输送具有创新意识和能力的高等技术应用型人才。这是因为实践教学天然具备促进学生创造力的教学因素，因而决定了它在高等院校实施创新教育中的重要地位，因此在教学中应明确提出通过实践教学进行创新学习。根据工科教学的特点，构建了从产品设计和制造的全过程来进行创新能力培养的实践教学体系，从中定位应用型人才的创新集中点及对应的实验室建设承担的作用，以便为学生提供丰富的实践机会。

二、创新设计实践教学体系的建立

创新人才的培养不但要有扎实的理论基础，更重要的是要加强系统的创新实践训练。实践性教学环节是实施创新设计能力培养的重要部分，具有课程教育所不可替代的重要作用。为了突出实践教学在创新人才培养中的作用，应该依据产品实际开发过程，系统地规划实践教学内容，从而建立完善的创新设计实践体系，最终形成一个与理论教学体系紧密联系又相对独立的实践教学体系，在理论教学的基础上，把机械创新设计能力培养目标分解到具体的实践教学环节中去，根据岗位需要系统地培养学生的机械创新设计能力。由于产品的设计过程分为产品规划阶段、方案设计阶段、技术设计阶段、施工设计阶段和改进设计阶段等，因此应针对产品设计与制造的全过程，建立相应的创新设计实践教学环节，来培养应用型人才的技术创新能力。根据这一思路构建有利于创新能力培养的实践教学体系，该体系主要包括创新认知模块、结构分析与拆装模块、创新设计与实践模块、产品设计与制作模块、创新活动等模块。这样有助于按照“创新实验—工程应用—技术创新”的人才培养模式来实施对创新人才的培养，为全方位培养高素质强能力的机械类创新人才开辟了一条合适的途径。

1.构建机械玩具和机械创新设计陈列室

从教学实践中体会到，每当录像中有机械玩具或与工程实际相结合的内容时，学生总是表现出浓厚的兴趣，这不能说是学生的童心未泯，而只能说明机械原理知识如此广泛的应用深深地吸引着学生，极大地调动了他们强烈的求知欲望。由于受诸多因素的限制，不可能组织学生参观和研究各种典型的机械，因此在教学资金投入有限的前提下，以较少的投资建立机械玩具展示室显得十分必要，在一定程度上可以调动和激励学生的学习兴趣，增强学生的创新意识和创新能力。当学生观察一定数量的机械玩具之后，便积累了一定的感性认识，结合机械原理课的理论，可使学生产生创造新型机械玩具的强烈愿望。只要教师及时对学生的创新热情加以正确引导，启发他们在亲身体验中不断探索，就能扩展眼界并开发他们的智力潜能。通过对各种玩具的基本运动分析，可以探索为满足运动和工作要求设计这些机械的基本方法。在掌握机构的分析和设计方法之后，进行具体机械系统设计时，就可以比较熟练地进行机构选型及组合，为培养学生的创新意识及创新能力打下基础。

广泛收集一些新、奇、特的机械，构建机械创新设计陈列柜。陈列柜采用国内外各种设计新颖的机电产品或模型，配合相应的图文资料，介绍机械创新设计的基本原理和方法，对于启迪创新思维、提高机械创新意识与创新设计能力具有重要的作用。其优点是增加了模型或实物数量，精选富有创造性的机电类新产品，图文展示简明扼要，布局更加科学合理。结合创新陈列柜，讲解创新思维方法和创新案例，展出反映创新意识和巧妙构思的各种创新产品，培养学生的形象思维能力和创新意识，增强学生创造性构思、方案设计和结构设计的能力。此外，经常组织学生参观国际国内科技或新产品展览，较多地接触机械发明中具有新颖巧妙结构的机电产品、模型或照片，使学生了解机械工程领域的最新成果和发展动向，以开阔学生的视野，培养学生的创新思维。还可以购买历年国际和国内创新设计大赛部分获奖作品的演示光盘，通过观看以启发学生的创新思维。

2.机构运动方案创新设计实验

机构运动方案创新设计实验台基于机构组成原理，即杆组迭加原理而设计，可以拼接成结构不同、性能各异的各种机构。该实验的核心是进行机构运动方案的创新设计，学生自己构思设计满足不同要求的机构运动方案，使用实验装置提供的电动机、皮带传动装置、低副杆组、高副杆组、各种构件和机架等，进行积木式组合、拼装机构系统，亲手组装成实物模型，通过机电控制动态演示机构的运动情况；通过直观调整布局、连接方式及尺寸来验证和改进设计；直到该模型机构灵活、可靠地按照设计要求运动到位，最终使学生用实验方法确定了切实可行、性能较好的机械设计方案和参数，也就是通过创新实验——模拟实施环节来培养学生创新动手能力。该实验重点培养学生综合设计能力、创新意识和实践动手能力，为机构创新设计打下良好基础。

3.机械传动系统创新组合与分析实验

该实验是使学生根据对所设计机械的功能要求，进行机械传动系统方案设计和动手组装，并对机械传动系统进行运动分析、动力分析及装配方案分析。学生自主创新设计组合多种实现该功能的机械传动方案，并进行传动连接，拼装各机械传动系统，同时对各机械传动系统在传递运动与动力过程中的参数曲线进行测试与分析，对多种可行方案进行比较、评价，加深对常见机械传动性能的认识和理解，掌握机械传动合理布置的基本要求，从而确定最佳传动方案，有利于培养学生机械传动系统方案设计的能力。通过实验还使学生认识了机械传动性能综合测试实验台的工作原理，掌握了一定的计算机辅助实验的方法，培养了进行设计性实验与创新性实验的能力。

4.机电产品组合创新设计实验的建立

利用德国慧鱼创新组合模型，开设智能型机械创新设计实验，使学生能将多学科、多领域的综合知识融会贯通于综合应用中，并在机械创新设计中，能有利于将机、电、控制方面的理论和实际结合起来，激发兴趣和创造力。“慧鱼”产品中各种型号和规格的零件近千种，一般工程机械制造所需要的零部件如连杆、齿轮、马达、蜗轮以及气缸、压缩机、发动机、离合器，甚至热敏传感器、信号转换开关、计算机接口在慧鱼中都能找到。因此慧鱼创新组合模型的仿真度，几乎能实现任何复杂技术过程和大型设计的模型。在实验中，学生自己动手组装模型，建造自己设计的有一定功能的机器人模型产品，在制作过程中使学生了解一些计算机控制、软件编程、机电一体化等方面的基础知识，通过实验学习进行创新设计的方法，能够激发学生无限的创造力，为后续课程的学习做一个很好的铺垫。由此可知，在创新设计中有机地融入相关领域的知识，在实验过程中增强学生的综合运用能力是创新实验课的核心任务。

5.机械结构创新设计能力培养实验(www.xing528.com)

利用轴系结构设计与分析实验箱，开发出轴系结构设计创新组合实验，该实验要求学生创新设计出不同的轴系结构方案并进行分析、比较。实验利用模块化设计思想，针对典型轴系结构设计出一套可重组的轴系零部件，提供了可组成圆柱齿轮轴系、小圆锥齿轮轴系和蜗杆轴系结构模型的成套零件，有齿轮类、轴类、套筒类、端盖类、轴承类及连接件类等多种零件，按照组合创新法，采用较少的零件便可组装出尽可能多的功能各异的轴系部件。每组学生根据实验方案规定的设计条件和要求，确定需要的模块化轴段和轴上零件，进行轴系结构的创新组合设计。通过组装、分析，对轴的结构设计与滚动轴承组合设计有了实质性的认识，掌握了轴系结构设计的基本要求和方法，为机器的正确设计奠定了技术基础，提高了学生对机械结构创新设计的能力。

机械产品拆装和分析实验是在现有机械设备的基础上，增加可拆装机器的类型，让学生接触更多的机器、机构，通过产品分析和拆装，使学生对机械产品的功能组成、零部件的具体结构和作用有更深入的认识，提高对机械设备结构的认知和工程设计能力。实验设备可以是多功能数控车床、三维电脑雕刻机、工业机器人等。拆装实验的重点是使学生了解结构、名称、原理和相互连接关系，熟悉工具使用，掌握拆装方法等。拆装实验的优点是拆装过程充分显示出各零件之间真实的装配关系，使学生学会专用工具的使用方法，不仅可以帮助学生消化吸收理论知识，而且能使学生对零部件有感性认识，对于机构的工作原理以及结构特点有更深刻的理解，培养学生的工程意识和实践能力，激发学生的创新意识和创新思维。

6.建立计算机辅助创新设计平台

计算机辅助创新设计平台是把发明问题解决理论TRIZ（Theory of Inventive Problem Solving）、本体论，现代设计方法学与计算机软件技术结合的新一代计算机辅助创新工具。由于TRIZ理论将产品创新的核心——产生新的工作原理过程具体化，并提出了规则、算法与发明创造原理供研究人员使用，具有很强的可操作性和可实施性，它已经成为一种较完善的创新设计理论，形成了解决工程问题的系统化的方法学体系。借助其综合分析工具和创新方案库，不同工程领域技术人员在面临技术难题时，能打破思维定式、拓宽思路，以全新的视角和思路分析问题，快速得到可操作的高效解决办法。不仅在苏联得到广泛的应用，在美国的很多企业特别是大企业，如波音、通用、摩托罗拉等公司的新产品开发中也得到了应用，取得了可观的经济效益。对于通过计算机辅助创新设计所构思的具体结构，要通过三维设计与数控加工来实现。

7.三维产品创新设计实验

随着计算机技术的迅猛发展，使零部件的设计正逐步从二维转向三维。这种直接用三维造型建模的现代设计理念和创新设计方法更符合人们进行创新设计的思维方式，因为任何产品在设计构思时，人们头脑中的形象都是三维的。过去由于技术的限制，无法迅速实现人们头脑中三维形体的构建。现在三维设计CAD软件（如Pro/E，UG，CAXA，Solidworks等）已经提供了这种可能性，满足了从三维入手进行产品设计的需求，这种做法更符合设计活动的客观规律。目前较高端的机械零部件设计软件完全可以实现从概念设计、三维零部件建模到装配干涉分析等功能，面对这种从设计理念到设计方法的全新变革，企业更需要的是掌握三维设计的人才。从设计到制造的一体化，CAD/CAM/PDM缩短了大学生到岗位的适应期。因此应加强数控加工、CAD/CAM/PDM的教学内容，充分利用三维实体设计软件的集成性，将三维实体设计得到的数字化模型信息源传递给数控加工，以实现从三维实体设计到计算机辅助制造的有机结合。另外，也可以把一些零件的三维设计数据模型输入至3D打印设备，快速打印出零件样品。在此基础上，针对岗位技术中所面对的零部件改进设计问题，通过三维设计软件进行创新设计，可迅速改变其结构设计中的缺陷，提高产品性能。

8.机械创新设计模型制作室的建立

创新设计制作训练是世界先进国家机械工程教育广泛采用的模式，目前一些学校建立了不同规模的学生实践教学基地、实践训练中心等，为学生进行制作类设计训练提供了必备的条件。同时针对学生创新能力培养的需要，也应该建立机械创新设计模型制作室，为学生提供了一个开放的、可以自己动手制作的实践性教学场所。该室可购置各种小型机床、电路设计和制作的软硬件平台等，在富有经验的技术人员指导下，学生可以自己动手制作电路、加工零件模型并进行装配，为学生的科技制作提供技术支持。在创新设计活动中，当学生完成设计方案时，要求学生自己动手将设计的产品制造出来，通过机电控制，实现预定的动作，将纸上的设计变为真实的机器模型。当看到自己设计的产品在教师指导下逐渐成形，实实在在地感受创新、设计、生产、调试的工程实践过程，都有一种满足感和成就感。在此过程中，既巩固了理论知识，又培养了实践能力，从而激发了对专业课的学习兴趣。

三、开展课外科技创新实践活动

为了实现机械创新设计，必须面向市场开展多种形式的创新设计实践，才能真正提高学生的机械创新能力。创新产品都是为了满足社会和工程的实际需要，所以从日常生活和工程实践中，特别是从机械工程中可以挖掘很多设计题目，利用课堂上讲授的理论知识，让学生真刀真枪地干，品尝创新的滋味。开展课外科技创新设计活动，例如搞科技小制作、小发明、小革新等，这些活动能大大激发学生的创新欲望，在实践中培养他们的创新能力，从而提高了学生的就业竞争能力。

参加大学生科技制作活动时，要求学生独立完成构思、方案确定、图样设计、加工制作和调试等。各项工作都具有开拓性，尤其是构思和方案确定更具创造性。设计作品一般都做成电动机器模型，对于有价值的作品，再通过毕业设计，绘出全部图样。这种方式耗资耗时少，便于推广，并能使学生学到科技创新方法，为学生创造性思维的发挥和工程实践能力的培养提供了一个广阔的空间。利用设计制作的实践环节，通过学生自己选题、设计、制作和调试，极大地激发了学生的创造激情和对专业的热爱，增强了学习的信心，受到了从设计到制造直至试验的全过程锻炼，从而使他们能够更快、更好地适应实际工作。这种培养学生产品设计、制造综合能力的独特模式，必将对应用型人才的培养产生巨大的促进作用。

开展机械创新设计大赛是鼓励学生在已掌握知识的基础上，从实际生活和生产应用出发构思出一些新颖的机构或机器，然后进行设计、加工，并进行装配调试，制作出参赛作品的演示实物或模型。在这个实践过程中，学生扩大了知识面，加深了对课本知识的理解，培养了不同专业的团队协作精神，增强了创新意识和创新能力，提高了分析问题和解决问题的能力。从而形成了创新设计课堂教学、实验教学及课外科技创新实践活动一体化的教学模式。

机械创新设计是在机械设计过程中产生新颖、有价值构思方案的活动，机械设计中的创新体现在：产品功能的创新，完成产品功能的新的科学原理应用，实现功能的工艺动作新规划，完成工艺动作的机械系统的创新组合，机构创新，结构创新，检测控制系统创新，产品造型创新等。通过以上实践体系的运作，充分体现了现代设计的理念和创新的实践教学思想。使学生经历从方案设计、结构设计、加工制造、组装调试的产品开发全过程、全方位的训练，进一步提高了实践能力和创新能力。