機械設計教學革新思考與實踐論文
一、前言
機械創新設計是指發揮設計者的創造力，結合現有科技成果，設計出具有創造性和使用性的機械產品的一種實踐活動，涉及到機械設計理論與方法、製造工藝、材料及處理、機械結構、機械產品維護及管理等機械工程領域的多種創新。從目前來看我國大學生機械創新能力教育與國外相比還存在很大差距，這與歷來對於機械創新教學研究重視不夠有直接關係。隨著科學技術的發展，社會對於大學生的創新意識、創新能力和工程實踐能力要求越來越高。因此，加強機械工程類大學生創新精神和能力已經成為高等院校工科專業教學改革和學科建設的迫切而主要任務[1-7]。
二、存在問題探討與分析
在指導機械設計製造及其自動化專業大學生機械創新設計過程中總結出存在以下幾個方面的問題。
1.基礎理論知識相對薄弱，創新思維不足。該專業在二年級、三年級主修與機械創新設計相關的基礎理論知識，包括機械製圖、工程力學、機械原理、機械設計、工程材料學、機械製造技術基礎、機械控制工程基礎、液壓與氣壓傳動、機電一體化技術、自動控制原理等。紮實掌握並靈活運用這些基礎理論知識是大學生創新設計必備的基本條件。但是在實際教學過程中由於課時壓縮、實踐機會較少以及學生學習主動性較差等多種原因，造成學生掌握的基礎理論知識相對薄弱。多數學生學習這些課程主要是應付考試，對這些基礎理論進行深入思考並啟發自己的創新思維的較少。
2.過度依賴計算機輔助軟體，物理樣機設計經驗欠缺。隨著計算機技術的飛速發展，在機械創新設計方面，出現了一系列新技術，主要表現在基於CAD軟體的創新設計、虛擬設計[8]。機制專業的學生主要掌握的CAD軟體有兩類:一類是二維設計軟體，如AutoCAD，另一類是以三維建模為基礎的大型CAD/CAM軟體主要有Pro/E，UG，Solidworks等。一般學生在二年級的時候透過自學和課堂學習等方式基本上掌握了這些軟體。但是大部分學生主要精力放在學習虛擬樣機相關繪圖和建模技巧上，以繪出漂亮的圖形為目的。由於對機械設計的理論掌握不夠加上沒有足夠的實踐機會去了解物理樣機設計過程，在開始接觸機械創新設計時，會過度依賴這些軟體進行三維建模，不能將虛擬設計與物理樣機設計有機結合起來。實際上機械創新設計的本質還應歸結到機械本身，以計算機技術為基礎的虛擬樣機技術只是輔助設計的一個手段，不能完全代替傳統的物理樣機機械設計。在創新設計中應該堅持虛擬樣機與物理樣機並重的原則。
3.缺乏實際專案鍛鍊。參與實際專案鍛鍊，參加生產實習的核心在於透過某一產品設計、製造、檢測、封裝入庫完整等環節的實習，使學生初步熟悉機械產品生產加工全過程所涉及的知識、技能、工裝[9]，是學生全面、綜合掌握專業知識和技能的重要環節，也是培養學生創新能力的基礎。但是現在由於課時壓縮等多種原因，本科生多以理論學習為主，其創新能力的鍛鍊效果不盡如人意，這與創新設計所要求的能力差距還較大。由於沒有接觸實際的專案鍛鍊，學生對於機械設計的`流程、要求以及機械創新設計的具體需求瞭解不多，導致學生學到的機械設計理論知識無法完全充分發揮出來，這也是制約機械創新能力發展的重要原因之一。
三、教學改革思考與實踐
針對上述問題分析，在教學工作中對創新設計教學改革進行深入思考，結合實際情況提出了幾點解決方案，並在教學實踐中逐步實施。
1.加強基礎理論知識培訓激發創新思維。在基礎理論知識教學過程中把重點放在理論聯絡實際方面的講授，結合機械創新設計案例、機械創新設計新思維、新方法和新成就等多種方式將理論知識與應用技術結合起來，在吸引學生興趣的同時也加深了學生對基礎知識及其應用的理解，並積極引導他們在此基礎上進行再思考再創新，為下一步機械創新設計打好堅實的基礎。另一方面，開設文獻查閱課程，培養學生文獻綜述能力，透過查閱專業書籍、學術期刊、專利、企業產品手冊和網路查詢等多種方式，瞭解國內外對相關技術的研究進展和市場需求。
2.虛擬樣機與物理樣機研究並重。虛擬樣機技術整合和綜合了可執行機械設計的環境:包括各種模擬工具、分析工具、控制工具、裝置和組織協同工作的方法等[10]，可以改善從產品的概念設計到動態模擬再到整機結構最佳化的各個階段。利用虛擬樣機技術可以建立零件的模型，進行虛擬裝配，並檢查零部件的裝配間隙和干涉，應用分析軟體對樣機進行運動模擬並對關鍵部件進行校核、計算。及時發現錯誤，最佳化結構，可以方便地更改模型，從而提高設計效率、最佳化設計方案、縮短設計週期、降低生產成本。在教學過程中提倡以機械創新設計需求為主導進行技術學習的思想，虛擬樣機技術的學習應該結合機械設計原理與機械設計的具體要求。課程注重對虛擬建模、虛擬裝備、運動模擬和最佳化設計等各個階段進行綜合培訓，同時在課程的不同階段安排相應的設計實習任務，促使學生在學習這些操作技能的基礎上增加對其在機械創新設計中具體應用的思考。在虛擬樣機最佳化設計的基礎上要同時加強學生對物理樣機創新設計能力的培訓，從加工圖紙繪製、非標件加工、標準件選購到樣機的裝配和除錯都讓學生親自動手參與，並且根據所設計產品的技術要求和使用要求進行試驗。樣機試驗也是一門科學，根據培養進度應適時開設《試驗設計與統計分析》課程，詳細介紹機械設計中常用的正交試驗、單因素試驗、對比試驗等科學的試驗方法以及方差分析、t檢驗等資料統計方法和資料結果分析方法。透過合理的試驗和科學的資料分析可以進一步最佳化引數，修改樣機結構，對虛擬樣機的設計結果進行驗證和修正，直至產品定型。
3.指導學生申請或參與相關專案。在具備了基礎理論知識和基本的設計技能的基礎上，吸引部分優秀學生參與到教師主持的相關科研專案，從基礎設計工作做起，逐步瞭解和熟悉專案的論證、設計和執行過程，以提高學生的綜合創新能力。在此基礎上再指導學生組成團隊申請校級、市級或者自治區級的大學生創新設計專案，從專案的可行性分析、立項、方案設計到具體的技術創新設計和產品設計都由學生親自參與。在專案執行過程中注重對學生綜合創新能力的培養，首先，要透過市場調研和查閱文獻提出設計任務並透過可行性分析明確設計的功能目標;然後，進行團隊討論，根據成員的基礎理論知識併發揮創造思維確定總體設計方案;下面進行團隊分工，依據個人所掌握的不同的創新設計技術和方法進行虛擬樣機創新設計，做出三維模型並進行模擬分析和結構最佳化，與此同時不斷對總體方案進行修正;接著，團隊合作完成物理樣機加工、裝配、除錯和試驗改進工作;最後，完成整個機械創新過程。
4.校企聯合培養引導學生理論聯絡實際。經過參與專案鍛鍊後，學生對整個設計流程有了切身體會，同時對所學的基礎理論知識也有了更加深刻的理解，具備了進行創新設計的基本能力和基本素質。在此基礎上，教師應積極聯絡相關企事業單位為學生安排實習機會，進行校企聯合培養，讓學生到工廠一線去了解企業和社會對創新設計知識和能力的實際需求，並進一步瞭解企業創新設計流程。這樣有利於引導學生在日常學習中將理論與實際結合，也使得高校對學生創新能力的培養與社會需求接軌，有利於培養真正符合社會需求的具有創新能力的機械人才。
四、結語
培養大學生的機械創新能力是高等院校工科專業的主要任務之一。本文結合實際教學過程中對大學生機械創新設計過程存在的問題的探討和分析，透過對教學改革的思考提出了理論聯絡實際、物理樣機與虛擬樣機並重等四點解決方案，還需要透過不斷地教學實踐對方案進行補充和驗證。期望透過這些行之有效的措施，能切實提高大學生的機械創新能力。