创新机械设计能力培养教育创新团队建设实践.docx

创新机械设计能力培养教育创新团队建设实践安 琦 王小芳 陶峰 殷勇辉 夏守浩 王建文华东理工大学机械与动力工程学院 上海 2002370引言我们机械设计及摩擦学研究室长期承担机械专业重点课程（目前为上海市精品课程）机械设计的教学任务，从1998年开始进行课程教学改革，在全面强化课程教学提高教学质量的同时，引入创新机械设计教学环节，通过多年的不断努力，取得了十分可喜的成效。2005年被学校批准为创新教学团队。本创新教学团队主要由机械设计及摩擦学研究室的教师组成，通过创新教学团队的建设和实践过程，我们深刻认识到，教学创新团队建设是十分必要的，它可以发挥集体的力量、凝聚集体智慧，是使创新活动能够长期持续延续、不断发展的有效保证。同时我们也深刻认识到，教学创新团队不仅能够有效的促进教学创新活动的开展，而且能够通过这一过程提高教师的教学水平、培养教师队伍的作用。1创新机械设计能力培养教学团队成立背景（1）、机械设计能力的培养是机械类专业学生培养过程的重中之重。机械设计能力的高低直接反映学生对机械工程专业知识的掌握程度和应用能力，是对从事机械类专业工程实际工作人员必不可少的基本素质要求。可以毫不夸张地说，对于一个不具有机械设计能力的学生，是根本不能从事与机械工程相关的专业工作的。因此，衡量高校机械类专业学生培养质量的一个最重要的指标就是机械设计的能力。（2）、创新机械设计能力的培养是现代机械工程技术发展的要求。我国的现代化建设已经进入了一个新的阶段，特别是进入21世纪后，国际上科学技术的竞争日益激烈，我国要成为一个真正的工业化国家，成为名符其实的世界工厂，必须解决的一个重要问题是实现机械工业的现代化，实现这一目标的关键是要不断有创新的技术和产品，这就要求我们高等院校培养出来的机械类专业的学生，不仅要具有基本的机械设计能力，同时要掌握创新设计能力，只有这样才能适应国家新时期发展的需要。（3）、目前国内院校在机械设计能力培养方面的现状。国内高校对机械设计能力培养的模式相对较为陈旧，从1956年至今一直沿用前苏联的教学体系，在教材内容编排和教学方法上都存在一些问题，影响了学生实际设计能力的培养。比如：有些分析方法已相对陈旧，和时代的要求差距明显；机械设计课程教学内容过分注重理论知识的讲解，而对实际的设计问题缺乏应有的重视；机械设计教学中对零部件的设计和整机系统的设计之间的关系没有给予足够的重视；过分强调理论设计方法而淡化经验性设计内容；机械设计能力的培养过程完全依赖详尽指导教材的课程设计而没有进行创新（实际）内容的设计。这些问题严重制约了对学生机械设计能力的培养，毕业出来的机械类专业学生不具有独立从事机械设计的能力，难以从事具有一定难度和创新性的机械专业的科研和技术工作。2团队制订的机械设计课程教学思想（1）、教学中强调设计思想的传授机械设计这门课程中包含的知识体系较为广泛，既有大量的理论计算、理论推导，又有大量的经验公式和经验图表。学生在学习过程中往往会有一种无从下手的感觉，他们总是不断的询问：哪些要求记下来，哪些不要求记下来，哪些公式要会推导，哪些公式不要会推导。因此，在进行课堂讲解时首先一定要让学生从纷繁的知识堆里找到学习的方向，建立本门课程学习的指导思想。通过分析我们认为，掌握机械设计的设计思想应该成为学习的重点。所谓设计思想就是贯穿于教材中的一些零散的设计理论，这些理论不一定都是以某种公式或图表进行表达，它要告诉我们的往往是关于如何进行该零部件的设计，设计中应注意什么，使用中应注意什么，各种参数的意义和对该零部件性能的影响过程，以及如何选取和确定这些参数。这些设计思想往往不具有严密的整体逻辑关系，需要花一定的精力在理解的基础上去记忆。这些设计思想应该是本门课程学习的重点之一，应予以足够的重视。（2）、课程教学中淡化过细的理论内容机械设计课程内容中包含了大量的理论内容，特别是一些理论公式和计算图表成为学生在学习过程中的主要困难，学生们常常反映公式太多记不住，这往往会使他们产生一种“机械设计课程难学”的思想，影响了教学效果。为此，我们在进行课程教学的过程中，首先对每一章内容中的所有公式进行分类，将其划分为基本掌握公式和基本了解公式两类。对于基本掌握公式要求学生一定掌握，因为没有这些公式的支撑很难建立基本的设计思想，但有些公式不仅比较复杂记忆十分困难，而且即使短期能够记住，但过几天就很快忘记，这样的公式只要求学生对其理解，掌握使用方法以及使用中的注意事项，能够正确使用即可。（3）、将零散的零件参数的确定与零部件结构设计相结合零部件计算参数和结构参数的确定方法是机械设计课程中的一个重要组成部分，这部分内容理解与掌握的程度直接关系到学生能否完整掌握单个零部件的设计。由于这部分内容一般都分散于每一章的教学内容中，使得学生学习过程较为困难，往往一章内容学完之后，学生对于如何完整设计出这一零部件仍然感到十分困难。为此，我们在教学过程中将这些分散于课程中的知识点归纳集中起来，在每章教学内容完成之后花半节课左右的时间进行提纲挈领式的归纳，让学生建立该零部件的参数设计方法。下面以齿轮传动的教学内容为例进行说明。齿轮的结构参数主要包括：齿数、模数、变位系数、齿轮宽度、分度圆直径、齿顶圆直径、齿根圆直径、中心距、齿轮结构形式、中心孔直径、轮毂键槽尺寸等。这些参数中，齿数的大小根据最小齿数、传动比、外形尺寸要求等条件确定；模数大小根据齿面接触疲劳强度计算和选定的齿数确定，或根据齿根弯曲疲劳强度计算结合标准模数序列确定；变位系数根据中心距取标准或为了大小齿轮强度平衡进行计算之后确定；齿轮宽度根据选定的齿宽系数进行确定；分度圆直径根据齿数和模数确定；齿根圆直径等于分度圆直径减去两个齿根高；齿顶圆直径等于分度圆直径加上两个齿顶高；中心距根据齿数、模数和变位系数确定；齿轮结构形式根据几何尺寸、加工工艺、毛坯材料、生产批量及经济性确定；中心孔尺寸根据相配的转轴直径确定；轮毂键槽尺寸根据相配的轴径查表确定。上述尺寸确定后就可以根据机械制图的有关知识画出一张完整的齿轮设计图。通过这样的讲解，学生们对齿轮的有关设计参数一目了然，对设计一个具体的齿轮有了较为明确的认识。（4）、将单个零部件的设计与整机设计结合起来在实际的工业应用中，零部件往往不是单独使用的，它们要相互联接、配合形成系统进行工作。因此，机械设计课程教学的目标决不仅仅是为了能够进行单个零部件的设计，而是面向实际机械系统的设计。但目前国内高校机械设计课程的内容在编排上都是以零部件进行分块讲解，各个零部件之间没有很好地建立有机的联系，学生在学完整个课程之后虽然能够进行单个零部件的设计，但面临整机设计中的零部件之间相关问题设计往往无所适从。为此，我们在教学中每讲到某一个零部件的设计时总要抽出一定的时间详细介绍一下该零部件与其它零部件间的关系、设计中如何进行相互协调。3机械设计课程设计中引入创新（实际）设计环节目前机械设计课程中关于整机设计能力的培养主要是通过一个课程设计环节来进行，但由于课程设计内容的程式化成分很高，学生根本不用动太多的脑筋就可以完成整个变速箱设计，对学生实际设计能力及创新能力的培养力度十分有限。为此，我们在不增加教学总时数和学生负担的前提下引入创新（实际）机械设计环节。该教学环节的两个基本原则是：培养学生的基本设计能力和培养学生的创新（实际）设计能力并重。该教学环节的教学总目标是：在培养学生的实际设计能力和创新能力的同时，创造出有市场价值、能够服务于社会的实实在在的产品。具体操作过程如下： （1）、变双级齿轮变速箱设计为单级齿轮传动设计。单级齿轮传动变速箱与双级齿轮变速箱在设计方法上没有本质上的区别，他们所涉及的机械设计内容是同等的。双级齿轮传动变速箱相比仅多了一级齿轮传动计算，改成单级后可以缩短学生完成这部分内容的时间，同时由不会影响学生基本设计能力的培养。 （2）、将变速箱设计分散于整个机械设计课程的教学过程中。我们将以往集中时间进行课程设计教学改为部分分散然后集中的教学方法，将齿轮变速箱设计的一部分内容融于机械设计课程设计教学中。这样，可以使学生随着机械设计课程的进行以课外作业的形式逐步完成除装配图以外的传动计算部分、标准件选择部分，并进行变速箱结构设计的草图绘制。待第一学期结束时，即可完成变速箱设计内容的60%左右。剩下的装配图和设计说明书及答辩留待第二学期开学后的第一个星期集中完成。这样，不仅可以使学生十分轻松的在一个星期内完成变速箱设计，同时通过这样的一种渐进式教学过程，学生的基本设计能力的培养会更扎实。此外，这样的一种教学安排还可以大大改善机械设计课程的教学质量，使学生在学习理论课程内容的同时能结合实际设计问题，从而活学活用，避免理论与实际脱离的现象。 （3）、变模仿型设计训练为思考型设计训练。以往学生在进行变速箱设计时，习惯于照搬设计指导书的设计方法，这容易使学生的思维僵化，不善于应用所学知识去解决问题。为此，采用先抛开课程设计指导的方法指导学生设计，给学生以必要的提示，并列出参考书目，鼓励他们去查找资料，翻手册，并培养他们从各种资料及数据中归纳整理的能力，让他们从无从下手的困境中找到进一步工作的方向，让他们在失败及走弯路的过程中学会如何设计。这是一个以学生为主体的教学过程，比起以往的模仿式教学将可以大大提高教学质量。（4）、引入创新（实际）设计教学环节。在完成对学生进行的机械设计基本能力训练之后，我们用一个星期的时间对学生进行创造性设计能力的培养。我们准备若干兼顾基础性、知识性、前沿性的设计题目，设计工作量虽不是很大，但思维创新的空间较为广阔，给学生创造性思维的余地。应用的设计原理、结构理论没有固定的模式，只提供一设计思想及所要达到的预期目标。指导教师与学生之间可以讨论，教师可以提示学生如何查资料及进行设计中的注意事项，把能动性留给学生。该部分的设计评分标准有三个方面衡量，一是创新性；二是规范性；三是图面质量。待整个设计完成后集中一天时间由教师主持一个讨论会，先由学生自己介绍自己的设计题目、设计思想。其他学生自由发言、提问、讨论、指出优缺点。通过这样一个过程促进学生创新性思维及应用所学知识的能力。按照上述教改方案，从1999年开始,对我校机械学院连续6届学生进行了实践。不仅使学生的基本设计能力得以锻炼，同时也培养了学生的创新（实际）设计能力。学生们参与的热情十分高涨，他们构思了一个个方案，有的同学不惜推倒十几个方案从头再来仍不气馁。学生们从最初的无从下手，到慢慢找到思考问题的方向，并沿着这一方向不断发现解决问题的方法。学生们的创新能力和潜力得到发挥，但创新的成果令人鼓舞，每个设计题目都产生了几种乃至几十种设计方案，有些作品极富创新和实用价值。学生们在一个星期的创新设计完成后普遍感到进一步建立了设计的概念，面对新的设计题目有努力的方向感了。4开展机械设计课程后延续培养活动（1）、课程创新教学过程中注意发现学生的创新点按照目前的教学模式，在指导学生进行机械设计课程设计的时间是两个星期，其中第一个星期进行的是变速箱的设计，有设计指导书作为辅助教材，这一部分的教学目标是培养学生的基本机械设计能力。第二个星期是进行创新机械设计能力的培养教学，由指导教师收集整理若干具有创新背景的课题，这些课题具有实用性、前沿性和可操作性的特点，这些课题的设计过程没有指导教材、也没有任何参考资料，整个设计过程由学生自主进行，教师则仅充当讨论的伙伴、一位有设计经验的咨询对象，鼓励学生动脑筋设计自己的作品。从第一周的变速箱设计开始，教师就可以发现，有些学生很具有空间想象能力，不时会提出一些有价值的设想、建议，对于这样一些同学，教师在与他们进行讨论的同时要作好记录的准备，进行科学的引导，发现那些学有余力、善于动脑筋的创新设计苗子。到了第二星期的创新机械设计教学阶段，要采取一些有效的方法鼓励学生创新、进行科学的引导，比如：指导他们查资料、指导他们对提出的设计方案进行分析和归纳、和他们一起讨论什么是创新、如何实现创新，在这一阶段要注意每一位同学的创新思想火花，采取有效的方式将他们的创新思想、甚至仅仅是一点十分局部的创新构思，引导到有益的创新方向上。特别重要的是，学生在进行创新活动过程中思想虽然十分活跃，但也很脆弱，担心同学和老师的不理解，这就需要教师不断对学生的工作进行鼓励，提高他们创新的勇气和信心，努力为学生营造一个宽松、自由、民主的创新环境，充分调动他们的积极性。特别要注意在这样一个教学过程中发现具有创新设计潜力的学生。从以往的操作实践过程发现，通过这样一个星期的创新教学过程，大约有10%的学生完成了具有很好创新性的设计作品，大约30%的同学完成了具有部分创新的作品，大约30%的学生作品只有很少一点创新的火花，还有大约30%的学生由于基础知识薄弱等问题，无法完成创新设计。（2）、创新机械设计的课程后延续培养上面所述的教学过程虽然比起以往只让学生设计一个变速箱的教学模式相比有了很大的提高，但对学生的创新设计能力的培养仍然是有限的。为此，作者设计了一种机械设计课程后培养方案，该方案的核心就是通过课程教学过程发现具有创新潜力的学生，待课程教学工作结束以后，利用业余时间指导学生继续就他们尚未完成的创新作品进行深入研究，进行课程后的继续创新活动。按照这样一个新的教学模式，作者进行了多年的教学尝试，将那些在课程教学过程中发现的有创新潜力的学生进行跟踪指导，指导他们从方案的构思、结构设计、工艺设计，一步步进行深入分析和研究，最终完成整个创新设计作品，在设计工作完成之后，将学生的作品制作成展板，进行公开展览和点评，进一步鼓励学生进行创新机械设计的热情，培养学生的创新能力，也为下一届学时提供示范和鼓励作用。对于那些设计确实有创新和实际应用前景的作品，指导他们进行加工制作，完成实物样机，对于有些个别具有原理创新的作品，鼓励他们申请专利。这样的一种课程后创新设计能力培养模式大约需要两个月的时间，这段时间正好处于学期的前半段，学生有比较充裕的业余时间，因此具有良好的操作性，加上积极有效的鼓励，学生的参与热情很高，特别是当他们看到自己的作品有了突破、受到老师的称赞、作成了实物甚至可以申请专利，学生的热情特别高涨，只要教师愿意投入精力，这样的教学模式完全可以进行下去。通过实际教学实践，该教学模式取得了显著的教学效果，几乎每一届同学都涌现出许多富于创新的优秀作品，有多项作品参加国内外比赛获得了创新奖项，有多项作品申请专利获得成功。5结束语通过两年来的创新团队建设实践，我们深深体会到，创新教学是一个十分艰苦的探索性过程，教学方法要不断探索和更新、教学内容要不断探索和更新，因为我们面对的时代和学生的情况在不断变化、教学环境也在不断发生变化。创新团队作为一种全新的教学模式，也在发展和探索过程，我们的努力刚刚起步，艰苦的工作还在后面。附录：创新教学团队取得的教学成果列表表1学生在国内外获得的创新比赛奖序号作品名称学生姓名奖项名称时间1滚滑组合非等距螺旋汽车千斤顶许跃德，吕亚冰第6届“挑战杯”全国大学生科技作品竞赛鼓励奖19992离心摩擦式高层建筑火灾逃生装置卢志明第7届“挑战杯”全国大学生科技作品竞赛二等奖20013变升程螺旋拉杆式汽车用千斤顶杨剑，宁明志第7届“挑战杯”全国大学生科技作品竞赛二等奖20014滚筒振动式硬币分检器张力第8届“挑战杯”全国大学生科技作品竞赛三等奖20025滚筒振动式硬币分检器张力第1届全国“创新杯”机械设计比赛二等奖20026滚筒振动式硬币分检器张力上海市2002年度高校学生“创造发明三枪杯”奖20027易拉罐空罐有偿回收装置巩彬彬上海市2002年度高校学生“创造发明三枪杯”奖20028易拉罐空罐有偿回收装置巩彬彬第一届全国大学生机械设计创新大赛二等奖20049易拉罐空罐有偿回收装置巩彬彬华东地区大学生机械设计创新比赛一等奖200410滚筒振动式硬币分检器张力第一届上海国际发明博览会铜奖200411齿轮齿条式汽车用千斤顶嵇纬吉2004年度上海高校创造发明“三枪杯”奖200512螺旋式自动售报机武法森“上汽教育杯”大学生科技创新奖200613齿轮齿条式汽车用千斤顶嵇纬吉“上汽教育杯”大学生科技创新奖200614脚踏式环状楔块驱动螺旋千斤顶陶宗杰上海市发明协会2005年度“科创杯”创造发明三等奖200615脚踏式环状楔块驱动螺旋千斤顶陶宗杰上海市首届工程问题挑战赛三等奖200616拉绳式擦窗装置凌正阳上海市首届工程问题挑战赛优秀奖17自动售报机单莘，王洪生上海市首届工程问题挑战赛优秀奖18脚踏式环状楔块驱动螺旋千斤顶陶宗杰全国大学生过程装备实践与创新大赛优胜奖19新型管道爬行机器人设计王军全国大学生过程装备实践与创新大赛优胜奖20球形滚动机器人顾凯端全国大学生过程装备实践与创新大赛优胜奖表2 学生获得的专利序号专利名称学生姓名专利号获得时间1多功能台虎钳周小磊ZL 01238421.620022离心摩擦式高层建筑火灾逃生装置卢志明ZL 01238423.220023变升程螺旋拉杆式汽车用千斤顶杨剑，宁明志ZL 01238422.420024滚筒振动式硬币分检器张力ZL 02216578.920035齿条直线升降式汽车用千斤顶周敏ZL 02216579.720036易拉罐空罐有偿回收装置巩彬彬ZL03231162.120047家用微型稻谷去壳机马利江ZL 03232462.620048脚踏式电杆爬升装置张庆ZL03232461.820049脚踏式环状楔块驱动螺旋千斤顶 陶宗杰申请号: 200620041591.8200610新型自动售报机 王洪生，单莘申请号: 200620040797.92006发表的教学论文1、安琦.机械设计课程设计教改探索，高等工程教育研究，1999年，第1期。2、安琦.英国高校机械工程专业教学模式浅析。化工高等教育，2003年第1期。3、沈昱, 安琦.链传动受力分析及计算方法商榷, 机械科学与技术，2002年第2期。4、安琦. 机械设计课程教学中引入创新设计内容改革尝试，2001年全国机械设计教学研讨会，2001年11月5、安琦,王小芳. 给学生一片真实的创新土地，教育研究，2001年第4期。6、安琦,王小芳.机械设计课程教学方法探索与实践，2002年全国机械设计教学研讨会议，2002年8月。7、安琦. 中外高校机械类专业“机械设计”课程教学内容比较分析，全国过程装备与控制专业双语教学研讨会，2003年5月。8、芦定军, 安琦. 推力滑动轴承固定瓦块倾角的研究，润滑与密封，2004年第3期9、安琦, 王小芳. 机械设计课程设计中引入创新教学环节，化工高等教育，2003年第2期10、安琦. 对学生创新能力进行系统培养的教学模式探索，高等工程教育研究学报，2004年第1期11、陶峰,钱卓群,林大钧. 浅谈如何在机械原理教学中体现创新能力的培养, 化工高等教育,(已录用待刊)12、陶峰,洪超云,林大钧.ADAMS虚拟样机软件在机械原理课程中的应用,高等工程教育研究,( 已录用待刊)13、An Qi,Wang Xiaofang. New teaching model for improving creative design ability for undergraduate students.Proceedings of Symposium on Multi-/Inter-Displinary Engineering Education,2006,ECUST,Shanghai,P141-14414、安琦，王小芳.机械设计课程中齿轮传动部分的教学方法探索. 2006年全国机械设计教学研究会议论文集,机械工业出版社,ISBN 7-111-04579-3,2006.7,P263-26515、安琦，提高学生创新设计能力的新型教学模式。高等教育研究学报，（已录用）16、安琦，王小芳。创新机械设计能力的课程后延续培养模式，化工高等教育，（已录用）17、安琦，王小芳。将“育人”融入机械设计课程教学过程，教育研究（已录用）图1学生获得的专利证书 图2 由学生完成的部分创新作品 （A）获得的国内比赛奖 （B）获得的国际比赛奖 （C）卢志明同学和他的作品 （D）杨剑同学和他的作品 （E）巩彬彬同学的作品 （F）凌正阳同学在比赛中接受问辩图3 部分创新教学图片图4 单莘同学在比赛现场图5 创新活动报告会学生留影图6 创新设计展览图7 创新设计展览作品图8 创新设计展览作品图9 创新设计展览作品11