機械創(chuàng)新設(shè)計的教學方法探索

創(chuàng)新是一個民族進步的靈魂，是國家興旺發(fā)達的不竭動力。對于發(fā)達國家來說，技術(shù)創(chuàng)新對社會經(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(tǒng)核心單位的高等學校，開展創(chuàng)新教育已經(jīng)是勢在必行。
機械創(chuàng)新設(shè)計這門課程作為機械原理與機械設(shè)計等專業(yè)基礎(chǔ)課程的后續(xù)課程，旨在激發(fā)學生的創(chuàng)新思維、培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識和提高學生的創(chuàng)新設(shè)計和工程實踐能力，能讓學生將機械原理和機械設(shè)計等課程學習到的理論知識結(jié)合各種創(chuàng)新思維技法進行學以致用，此課程在教學中是十分重要的。此課程是我校機械制造設(shè)計及其自動化專業(yè)的專業(yè)選修課，雖然此門課程在我們校區(qū)開設(shè)的時間還不是很長，但是本課題組通過積極學習其他學校的教學經(jīng)驗，并結(jié)合我們校區(qū)的實際情況，對此課程的教學方法和實踐環(huán)節(jié)進行了許多研討，開設(shè)了32學時的機械創(chuàng)新設(shè)計課程，并配備了1周的機械創(chuàng)新設(shè)計實訓，使理論學習和實踐操作相結(jié)合，通過幾年的課程教學實踐，我們獲得了一些關(guān)于機械創(chuàng)新設(shè)計課程的教學經(jīng)驗。
1 變被動為主動 進行討論式教學
剛開始按照傳統(tǒng)教學模式教授此門課程時，直接給學生灌輸各種創(chuàng)新思維、創(chuàng)新技法，雖然上課過程中結(jié)合了一些經(jīng)典案例進行教學，在類似仿生創(chuàng)新授課中也給學生播放了一些仿生機械的動畫，學生雖然聽案例和看動畫都很入神，但是大部分學生都只是被動地聽講，沒有積極主動地進行對相關(guān)案例的思考，沒有分析案例和動畫中包含了哪些創(chuàng)新原理和創(chuàng)新技法，沒有主動思考創(chuàng)新原理如何運用到實踐中。這是傳統(tǒng)教學模式存在的普遍弊端。
隨著教學的深入，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施方式有：會議式、書面式、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(shè)計課程的授課中，使學生主動地參與到創(chuàng)新思維中，而不再是被動地接受知識的灌輸，變被動式學習為主動式學習。當學生在學習了一些創(chuàng)新原理后，可以給定一個合適的命題，進行這樣采用群體集智法的討論式教學，能夠讓學生參與到創(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(shè)計課程授課過程中，采用了這樣的討論式教學。例如，在進行發(fā)散式思維方式這一內(nèi)容教學時，就組織學生采用了書面集智法進行了關(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(jù)沉浮高度不同來區(qū)分；從顏色角度考慮，采用激光掃描儀進行掃描等措施。從課堂效果和課后與學生的交流反饋來看，學生通過這樣主動地參與創(chuàng)新設(shè)計的思考，更好地理解和掌握了發(fā)散思維和書面集智法等創(chuàng)新技法，而且培養(yǎng)了創(chuàng)新思維能力。
2 游戲引出創(chuàng)新方法 提高學生學習興趣
美國心理學家布魯納說：好的學習動力莫過于學生對所學知識有內(nèi)在興趣，而最能激發(fā)學生這種內(nèi)在興趣的莫過于游戲。與發(fā)達國家學校的那種寬松活潑的課堂氣氛相比，我們的課堂存在著一些明顯的缺陷，如刻板枯燥，即便是非常有趣的課堂，學生在集中精力聽了15～20分鐘以后也會漸漸讓失去注意力。
學生如果覺得課堂內(nèi)容枯燥乏味，就會感到拘束緊張，提不起精神，就可能產(chǎn)生一些厭學情緒[4]。這些問題在我們大學課堂的授課中尤為嚴重。
教師授課過程中如何充分調(diào)動學生學習的主動性和積極性，大限度地挖掘?qū)W生的學習潛力，是目前教師授課過程中的一個難點。在近幾年機械創(chuàng)新設(shè)計課程授課過程中，采用了一些游戲教學法，取得了不錯的教學效果。
第一，可以通過有趣的游戲?qū)胝n程的學習，讓學生在剛開始上課時就處于愉悅的氣氛中，使學生一開始就進入佳的學習狀態(tài)。在講授逆反創(chuàng)新這一創(chuàng)新技法時，剛開始上課時和學生玩一下猜謎語游戲。例如“必須生產(chǎn)出正品，打一成語”，“根、莖、葉，打一水果”等[5]，這些謎語都是從逆向思維的角度得到答案，謎底分別是“不可造次”和“無花果”。學生從猜謎游戲中先引入反向思維這一概念，在接下來逆反創(chuàng)新課程講解時，能更好地理解和掌握這一創(chuàng)新技法。
第二，可以通過游戲培養(yǎng)學生的發(fā)散思維，可以在課上組織學生通過游戲來進行一些生活中常見物品的發(fā)散思維訓練。例如，在PPT上放一個啤酒瓶或訂書釘?shù)膱D片，組織學生回答這些常見物品的使用功能，可以進行個別提示后，讓學生發(fā)揮想象力，自由暢想，回答出這些常見物品的基本使用功能外的具備的其他功能，充分鍛煉學生的發(fā)散思維。
第三，教師還可以將整個課堂設(shè)計為不同的辯論場，把課堂內(nèi)容的授課變?yōu)閷W生間的相互辯論，讓他們在這些表現(xiàn)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(jié)時，可以提前給學生布置好任務(wù)，組織學生在課堂上進行一些思維定勢的正反雙方辯論。通過自身的參與，提高學生對學習內(nèi)容的理解和掌握。
3 結(jié)合實訓教學 參與創(chuàng)新實踐
單純地理論教學，學生只能了解到這些創(chuàng)新技法，只有參與實踐，將所學知識通過實際操作加以運用，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(qū)在開設(shè)機械創(chuàng)新設(shè)計理論課程時，配有該課程的1周實訓課程，讓學生能將學習到的創(chuàng)新原理能夠運用到實際設(shè)計中，學以致用，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(shè)計實訓課程的展開，本校區(qū)購買了一系列機械創(chuàng)新設(shè)計實訓相關(guān)的實驗設(shè)備，如空間機構(gòu)創(chuàng)意組合及動態(tài)參數(shù)測試實驗臺、空間機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計拼裝及仿真實驗臺(如圖1所示)、平面機構(gòu)創(chuàng)意組合測試分析及仿真實驗臺等。這些設(shè)備不僅可以讓學生將所設(shè)計的機構(gòu)進行實物搭建，而且配備有相關(guān)的仿真軟件，可以通過虛擬仿真先進行模擬搭建，驗證設(shè)計機構(gòu)的合理性。
在機械創(chuàng)新設(shè)計理論課程中，先給學生布置些機械創(chuàng)新設(shè)計實訓的題目，如糕點切片機、花生紅衣脫皮機、草坪剪草機等命題，或者也可讓學生自由命題，在學習理論課程的過程中，運用學習的創(chuàng)新技法對這些命題機構(gòu)進行機械方案設(shè)計，確定好采用的運動機構(gòu)，繪制出運動簡圖，設(shè)計好基本的結(jié)構(gòu)尺寸。
完成以上任務(wù)后，就可以去實驗室進行軟件仿真模擬和實物搭建，驗證方案設(shè)計的合理性。
實訓期間實驗室采用開放的管理模式，學生可以集中時間段進行機構(gòu)的實物搭建，根據(jù)實際搭建結(jié)果驗證和改進所設(shè)計的機構(gòu)方案，從而得到優(yōu)化的設(shè)計結(jié)果。
 空間機構(gòu)創(chuàng)新組合及虛擬演示實驗臺
圖1 空間機構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計拼裝及仿真實驗臺
通過這樣理論結(jié)合實訓課程的開展，學生更深刻地理解和掌握了學習到的各種創(chuàng)新技法，更好地培養(yǎng)和提高了學生的創(chuàng)新能力。
4 布置專利撰寫作業(yè) 激發(fā)學生創(chuàng)新靈感
專利是最能體現(xiàn)創(chuàng)新成果的一種文件形式。在授課過程中，開展了一堂關(guān)于專利撰寫方面的講課。通過幾個事例論述了專利的作用和申請專利的原因，講述了專利的類型和屬性，最后結(jié)合實例講述了申請專利所需的文件和步驟，讓學生對撰寫專利有初步的認識。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合機械創(chuàng)新實訓的命題，給學生布置了專利撰寫作業(yè)，通過讓學生參與專利的撰寫，進一步激發(fā)學生的創(chuàng)新靈感，提高學生的創(chuàng)新能力和對創(chuàng)新成果的保護能力。
在近幾年授課中，學生通過機械創(chuàng)新設(shè)計課程的學習，提高了創(chuàng)新設(shè)計能力，撰寫了一些實用新型和發(fā)明專利，如一種四段式輪履結(jié)合智能越障機器人、船體附生物清理機構(gòu)以及船體附生物自動清理設(shè)備、一種船體附著物柔性清掃裝置等。
5 結(jié)合機械創(chuàng)新設(shè)計大賽命題
全國大學生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽是由教育部高等教育司舉辦的一項全國大學生重要科技競賽活動。參加該活動能夠培養(yǎng)大學生工程實踐素質(zhì)，增強學生機械創(chuàng)新思維和機械創(chuàng)新設(shè)計綜合能力，提高學生針對實際需求進行創(chuàng)新設(shè)計和實物制作的實踐工作能力[6,7]。
基于此，在本門課程的授課過程中結(jié)合過去機械創(chuàng)新設(shè)計大賽的優(yōu)秀作品進行理論課程的學習，例如在講授組合創(chuàng)新這一創(chuàng)新技法時，結(jié)合第一屆全國大學生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽中獲得一等獎的作品多功能齒動平口鉗的案例來進行論述，使學生更好理解組合創(chuàng)新的同時，了解機械創(chuàng)新設(shè)計大賽的獲獎作品的創(chuàng)新本質(zhì)。在布置實訓任務(wù)時，結(jié)合機械創(chuàng)新設(shè)計大賽的一些命題來布置，既鍛煉了學生的創(chuàng)新設(shè)計能力，又為機械創(chuàng)新設(shè)計大賽做一些準備。例如在上學期的機械創(chuàng)新設(shè)計實訓中，就以第六屆機械創(chuàng)新設(shè)計大賽中的錢幣分理裝置、包裝機械、運輸助力機械等進行了命題，一些學生設(shè)計了一些不錯的作品，并參加了剛結(jié)束的江蘇省機械創(chuàng)新設(shè)計大賽，獲得了不錯的成績，如圖2所示的自動錢幣分理機。
6 結(jié)束語
機械創(chuàng)新設(shè)計作為一門創(chuàng)新設(shè)計類課程，對于機械專業(yè)學生的創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是非常重要的。近幾年的教學中，本課題組積累了一些教學經(jīng)驗，采用討論式教學、游戲教學、實訓教學等手段相結(jié)合，激發(fā)了學生的創(chuàng)新思維，提高了學生對創(chuàng)新技法的理解和掌握，增強了學生創(chuàng)新設(shè)計的能力。