機械創新設計的教學方法探索

創新是一個民族進步的靈魂，是國家興旺發達的不竭動力。對于發達國家來說，技術創新對社會經濟發展的貢獻率已達到60%～80%。盡管我國已經成為經濟體，近年來創新能力提高很快，創新成果也很豐富，但與世界發達國家的差距還很大，在高科技領域中，很多關鍵技術還要受制于人。所以，作為知識傳播系統核心單位的高等學校，開展創新教育已經是勢在必行。
機械創新設計這門課程作為機械原理與機械設計等專業基礎課程的后續課程，旨在激發學生的創新思維、培養學生的創新意識和提高學生的創新設計和工程實踐能力，能讓學生將機械原理和機械設計等課程學習到的理論知識結合各種創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計及其自動化專業的專業選修課，雖然此門課程在我們校區開設的時間還不是很長，但是本課題組通過積極學習其他學校的教學經驗，并結合我們校區的實際情況，對此課程的教學方法和實踐環節進行了許多研討，開設了32學時的機械創新設計課程，并配備了1周的機械創新設計實訓，使理論學習和實踐操作相結合，通過幾年的課程教學實踐，我們獲得了一些關于機械創新設計課程的教學經驗。
1 變被動為主動 進行討論式教學
剛開始按照傳統教學模式教授此門課程時，直接給學生灌輸各種創新思維、創新技法，雖然上課過程中結合了一些經典案例進行教學，在類似仿生創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案例的思考，沒有分析案例和動畫中包含了哪些創新原理和創新技法，沒有主動思考創新原理如何運用到實踐中。這是傳統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，進行創新。此技法是一種群體操作型的創新技法。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創新思維，可以采用這種創新技法融入機械創新設計課程的授課中，使學生主動地參與到創新思維中，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新中，更好地理解創新原理的本質和更好地掌握這些創新原理的運用，激發學生的創新思維，提高創新能力。
在近幾年的機械創新設計課程授課過程中，采用了這樣的討論式教學。例如，在進行發散式思維方式這一內容教學時，就組織學生采用了書面集智法進行了關于“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，根據沉浮高度不同來區分；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新設計的思考，更好地理解和掌握了發散思維和書面集智法等創新技法，而且培養了創新思維能力。
2 游戲引出創新方法 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在興趣，而能激發學生這種內在興趣的莫過于游戲。與發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容枯燥乏味，就會感到拘束緊張，提不起精神，就可能產生一些厭學情緒[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動學生學習的主動性和積極性，大限度地挖掘學生的學習潛力，是目前教師授課過程中的一個難點。在近幾年機械創新設計課程授課過程中，采用了一些游戲教學法，取得了不錯的教學效果。
，可以通過有趣的游戲導入課程的學習，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。在講授逆反創新這一創新技法時，剛開始上課時和學生玩一下猜謎語游戲。例如“必須生產出，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，在接下來逆反創新課程講解時，能更好地理解和掌握這一創新技法。
第二，可以通過游戲培養學生的發散思維，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散思維訓練。例如，在PPT上放一個啤酒瓶或訂書釘的圖片，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，充分鍛煉學生的發散思維。
第三，教師還可以將整個課堂設計為不同的辯論場，把課堂內容的授課變為學生間的相互辯論，讓他們在這些表現舞臺上盡情施展自己閃光的一面。例如在講到《思維定勢》這一章節時，可以提前給學生布置好任務，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，提高學生對學習內容的理解和掌握。
3 結合實訓教學 參與創新實踐
單純地理論教學，學生只能了解到這些創新技法，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新技法。
為此我校區在開設機械創新設計理論課程時，配有該課程的1周實訓課程，讓學生能將學習到的創新原理能夠運用到實際設計中，學以致用，更好地理解和掌握這些創新技法。
為了便于機械創新設計實訓課程的展開，本校區購買了一系列機械創新設計實訓相關的實驗設備，如空間機構創意組合及動態參數測試實驗臺、空間機構創新設計拼裝及仿真實驗臺(如圖1所示)、平面機構創意組合測試分析及仿真實驗臺等。這些設備不僅可以讓學生將所設計的機構進行實物搭建，而且配備有相關的仿真軟件，可以通過虛擬仿真先進行模擬搭建，驗證設計機構的合理性。
在機械創新設計理論課程中，先給學生布置些機械創新設計實訓的題目，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，運用學習的創新技法對這些命題機構進行機械方案設計，確定好采用的運動機構，繪制出運動簡圖，設計好基本的結構尺寸。
完成以上任務后，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的實物搭建，根據實際搭建結果驗證和改進所設計的機構方案，從而得到優化的設計結果。
 空間機構創新組合及虛擬演示實驗臺
圖1 空間機構創新設計拼裝及仿真實驗臺
通過這樣理論結合實訓課程的開展，學生更深刻地理解和掌握了學習到的各種創新技法，更好地培養和提高了學生的創新能力。
4 布置撰寫作業 激發學生創新靈感
是能體現創新成果的一種文件形式。在授課過程中，開展了一堂關于撰寫方面的講課。通過幾個事例論述了的作用和申請的原因，講述了的類型和屬性，后結合實例講述了申請所需的文件和步驟，讓學生對撰寫有初步的認識。在此基礎上，結合機械創新實訓的命題，給學生布置了撰寫作業，通過讓學生參與的撰寫，進一步激發學生的創新靈感，提高學生的創新能力和對創新成果的保護能力。
在近幾年授課中，學生通過機械創新設計課程的學習，提高了創新設計能力，撰寫了一些實用新型和發明，如一種四段式輪履結合智能越障機器人、船體附生物清理機構以及船體附生物自動清理設備、一種船體附著物柔性清掃裝置等。
5 結合機械創新設計大賽命題
全國大學生機械創新設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大學生工程實踐素質，增強學生機械創新思維和機械創新設計綜合能力，提高學生針對實際需求進行創新設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合過去機械創新設計大賽的作品進行理論課程的學習，例如在講授組合創新這一創新技法時，結合屆全國大學生機械創新設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新的同時，了解機械創新設計大賽的獲獎作品的創新本質。在布置實訓任務時，結合機械創新設計大賽的一些命題來布置，既鍛煉了學生的創新設計能力，又為機械創新設計大賽做一些準備。例如在上學期的機械創新設計實訓中，就以第六屆機械創新設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，一些學生設計了一些不錯的作品，并參加了剛結束的江蘇省機械創新設計大賽，獲得了不錯的成績，如圖2所示的自動錢幣分理機。
6 結束語
機械創新設計作為一門創新設計類課程，對于機械專業學生的創新能力的培養是非常重要的。近幾年的教學中，本課題組積累了一些教學經驗，采用討論式教學、游戲教學、實訓教學等手段相結合，激發了學生的創新思維，提高了學生對創新技法的理解和掌握，增強了學生創新設計的能力。