康嘉杰，楊義勇，岳 文，朱麗娜，付志強(qiáng)，校文超，唐云龍

（中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）工程技術(shù)學(xué)院，北京100083）

1 引言

機(jī)械本科專業(yè)的核心為機(jī)械設(shè)計(jì)、制造與機(jī)械自動(dòng)化，基礎(chǔ)為高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理以及工程力學(xué)等，并且結(jié)合了計(jì)算機(jī)科學(xué)、自動(dòng)化理論、通信與傳感等多學(xué)科知識(shí)，具有較強(qiáng)的系統(tǒng)理論性和極強(qiáng)的指導(dǎo)性、實(shí)用性[1]。而在實(shí)際教學(xué)中，以課堂教學(xué)模式為主，理論學(xué)習(xí)多于實(shí)踐，從一定程度上影響了機(jī)械專業(yè)本科生創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐工程能力的培養(yǎng)，未能將機(jī)械學(xué)科的特點(diǎn)充分發(fā)揮出來(lái)。隨著中國(guó)產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力提升，國(guó)家發(fā)展的不平衡性也逐漸得到緩解，但由于創(chuàng)新能力不夠強(qiáng)引起的發(fā)展質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益不夠高的問(wèn)題依然存在[2-3]，對(duì)于具有自主創(chuàng)新工程能力的工科生需求也愈發(fā)強(qiáng)烈。

為全面提高中國(guó)工科學(xué)科本科生的創(chuàng)新能力和解決實(shí)際問(wèn)題的工程能力，國(guó)家開(kāi)展了大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃、卓越工程師培養(yǎng)計(jì)劃、2011 計(jì)劃等一系列重大項(xiàng)目[4-5]。并且積極與國(guó)外接軌，加入國(guó)際本科工程學(xué)位互認(rèn)協(xié)議《華盛頓協(xié)議》，由教育部對(duì)各高校進(jìn)行OBE（Outcome-based Education）標(biāo)準(zhǔn)的工程專業(yè)認(rèn)證和管理[6-7]。各高校也積極響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，結(jié)合自身學(xué)科特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)開(kāi)展了關(guān)于課程、實(shí)踐等方面的教學(xué)創(chuàng)新和改革。

通過(guò)創(chuàng)新設(shè)計(jì)產(chǎn)品去解決實(shí)際問(wèn)題是培養(yǎng)機(jī)械專業(yè)本科生創(chuàng)新和工程能力的有效途徑。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）工程技術(shù)學(xué)院機(jī)械專業(yè)合理地采用了這種教學(xué)方法，以首都高校機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽為實(shí)踐平臺(tái)及抓手，通過(guò)“基于傳統(tǒng)，提出創(chuàng)新；結(jié)合實(shí)際，設(shè)定方案；理論運(yùn)用，解決問(wèn)題”的教學(xué)設(shè)計(jì)思路引導(dǎo)本科生運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)理論創(chuàng)新設(shè)計(jì)產(chǎn)品，并取得了喜人的效果。

2 基于傳統(tǒng)，提出創(chuàng)新

創(chuàng)新來(lái)源于生活，來(lái)源于實(shí)際，對(duì)于機(jī)械專業(yè)本科生來(lái)講，設(shè)計(jì)一種具有全新結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品難度很大，而在對(duì)于現(xiàn)有產(chǎn)品結(jié)構(gòu)足夠了解之后，對(duì)于其所存缺陷進(jìn)行的改進(jìn)是最為切實(shí)可行的創(chuàng)新實(shí)踐。秉持這樣的教學(xué)思路，將本科生分組進(jìn)行創(chuàng)新討論和構(gòu)思，在以“夢(mèng)幻課堂”為主題的首都高校機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽中，學(xué)生結(jié)合實(shí)際教學(xué)過(guò)程中所遇到的實(shí)際問(wèn)題，提出了多種創(chuàng)新性的想法。這其中，參賽作品“自主遙控式可選擇性擦除無(wú)塵黑板”和“自動(dòng)翻書機(jī)”獲得了評(píng)委的一致好評(píng)，“自主遙控式可選擇性擦除無(wú)塵黑板”獲得了首都高校第七屆機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽一等獎(jiǎng)。

自主遙控式可選擇性擦除無(wú)塵黑板的發(fā)明是創(chuàng)新來(lái)源于實(shí)際的最為直觀的反應(yīng)。在參賽過(guò)程中，教師指導(dǎo)該組學(xué)生對(duì)現(xiàn)有黑板擦及黑板的類型進(jìn)行調(diào)研，這是基于傳統(tǒng)；然后對(duì)所存在的弊端進(jìn)行歸納，這是發(fā)現(xiàn)問(wèn)題；最后根據(jù)這些弊端提出改進(jìn)方案，這是提出創(chuàng)新。這樣的指導(dǎo)思路將學(xué)生一步步引入到實(shí)際中，又激發(fā)他們從實(shí)際中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并提出解決途徑，使得學(xué)生的創(chuàng)新能力得到提升，并且學(xué)生嘗試運(yùn)用各種所學(xué)專業(yè)知識(shí)去解決問(wèn)題的過(guò)程，也是對(duì)其工程能力的極大鍛煉。最終，該組學(xué)生通過(guò)調(diào)研總結(jié)了各式各樣黑板擦和黑板的優(yōu)缺點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)具有自主控制功能的并可對(duì)黑板進(jìn)行可選擇性擦除的無(wú)塵黑板擦是極具應(yīng)用前景的一種新型產(chǎn)品。

3 結(jié)合實(shí)際，設(shè)定方案

實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的方案和思路是多種多樣的，這些方案和思路是建立在實(shí)際應(yīng)用的機(jī)械模塊和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，并且最后綜合多種不同結(jié)構(gòu)才能得以實(shí)現(xiàn)。因此，學(xué)院教師在指導(dǎo)方案設(shè)計(jì)時(shí)首先引導(dǎo)學(xué)生拆分產(chǎn)品為多個(gè)單元，然后針對(duì)各個(gè)單元進(jìn)行專項(xiàng)分析和設(shè)計(jì)，最后再依次搭配，篩選獲取最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，要求本科生參照實(shí)際的機(jī)械產(chǎn)品對(duì)每個(gè)機(jī)械單元列出兩到三種機(jī)械結(jié)構(gòu)或者模塊，并對(duì)這些結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，對(duì)其實(shí)際可行性進(jìn)行驗(yàn)證分析，培養(yǎng)學(xué)生從實(shí)用性出發(fā)思考問(wèn)題的方式。最后，對(duì)各個(gè)單元進(jìn)行匯總，匹配得到多種設(shè)計(jì)方案。此時(shí)，需要要求學(xué)生從結(jié)構(gòu)可靠性和便捷性、產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)性等方面綜合考慮，即零件應(yīng)具有好的可靠性、簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、便捷的操作和低的成本。在自主遙控式可選擇性擦除無(wú)塵黑板設(shè)計(jì)方案中，該組學(xué)生首先進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)單元?jiǎng)澐郑翰脸龁卧?、吸塵單元、控制單元和傳動(dòng)單元。然后根據(jù)各個(gè)單元的實(shí)現(xiàn)功能對(duì)各種實(shí)際機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇，并匯總篩選得出了成熟可靠的產(chǎn)品總體結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)分別如圖1 和圖2 所示。

圖2 自主遙控式可選擇性擦除無(wú)塵黑板三維結(jié)構(gòu)示意圖

4 理論運(yùn)用，解決問(wèn)題

當(dāng)設(shè)計(jì)方案設(shè)定好后，就需要對(duì)產(chǎn)品系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析計(jì)算，包括各個(gè)單元系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計(jì)、零件結(jié)構(gòu)材料的選擇、系統(tǒng)核心原理的說(shuō)明、零件校核等。這里就需要學(xué)生們充分運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理、機(jī)械制造、工程力學(xué)、機(jī)電控制等方面的理論知識(shí)去解決實(shí)際問(wèn)題，進(jìn)而提升學(xué)生們的工程能力。在每個(gè)計(jì)算和校核過(guò)程中，都需綜合考慮產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性和安全性。指導(dǎo)教師引導(dǎo)學(xué)生們按照“分項(xiàng)考慮，逐項(xiàng)遞進(jìn)”的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行，即安全第一，環(huán)保第二，經(jīng)濟(jì)第三，這對(duì)于培養(yǎng)學(xué)生較強(qiáng)的安全意識(shí)和環(huán)保意識(shí)具有重要意義。

通過(guò)一系列的計(jì)算校核后，學(xué)生們確定了自主遙控式可選擇性擦除無(wú)塵黑板各個(gè)組件的數(shù)量、尺寸，設(shè)定了控制部分的電流、功率等，并對(duì)箱體、齒輪等零部件進(jìn)行了選材。最終通過(guò)實(shí)際操作進(jìn)行加工和組裝，經(jīng)調(diào)試后得到作品。

5 總結(jié)

只有通過(guò)親自動(dòng)手解決實(shí)際問(wèn)題，才能使自身所學(xué)得以真正消化和發(fā)揮。中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）工程技術(shù)學(xué)院通過(guò)“以賽代授、以賽促授”的教學(xué)模式使得機(jī)械專業(yè)本科生的創(chuàng)新能力和工程能力得到了極大提升。這種教學(xué)模式并不是簡(jiǎn)單地讓學(xué)生解決問(wèn)題，而是以“首都高校機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽”題目為指導(dǎo)，以成熟的設(shè)計(jì)思路去科學(xué)指導(dǎo)學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，具有好的指導(dǎo)性和高效性，能夠更加快速地使本科生建立起自主解決實(shí)際問(wèn)題的工程能力。