創(chuàng)新機械設計能力培養(yǎng)教育創(chuàng)新團隊建設實踐

1、創(chuàng)新機械設計能力培養(yǎng)教育創(chuàng)新團隊建設實踐安 琦 王小芳 陶峰 殷勇輝 夏守浩 王建文華東理工大學機械與動力工程學院 上海 2002370引言我們機械設計及摩擦學研究室長期承擔機械專業(yè)重點課程 （目前為上海市精品課程） 機械設計的教學任務，從1998 年開始進行課程教學改革，在全面強化課程教學提高教學質(zhì)量的同時，引入創(chuàng)新機械設計教學環(huán)節(jié)，通過多年的不斷努力，取得了十分可喜的成效。 2005 年被學校批準為創(chuàng)新教學團隊。本創(chuàng)新教學團隊主要由機械設計及摩擦學研究室的教師組成，通過創(chuàng)新教學團隊的建設和實踐過程，我們深刻認識到，教學創(chuàng)新團隊建設是十分必要的，它可以發(fā)揮集體的力量、凝聚集體智慧，是使創(chuàng)新活

2、動能夠長期持續(xù)延續(xù)、不斷發(fā)展的有效保證。同時我們也深刻認識到，教學創(chuàng)新團隊不僅能夠有效的促進教學創(chuàng)新活動的開展，而且能夠通過這一過程提高教師的教學水平、培養(yǎng)教師隊伍的作用。1創(chuàng)新機械設計能力培養(yǎng)教學團隊成立背景（ 1） 、機械設計能力的培養(yǎng)是機械類專業(yè)學生培養(yǎng)過程的重中之重。 機械設計能力的高低直接反映學生對機械工程專業(yè)知識的掌握程度和應用能力，是對從事機械類專業(yè)工程實際工作人員必不可少的基本素質(zhì)要求?？梢院敛豢鋸埖卣f，對于一個不具有機械設計能力的學生，是根本不能從事與機械工程相關的專業(yè)工作的。因此，衡量高校機械類專業(yè)學生培養(yǎng)質(zhì)量的一個最重要的指標就是機械設計的能力。（ 2） 、創(chuàng)新機械設計能

3、力的培養(yǎng)是現(xiàn)代機械工程技術發(fā)展的要求。 我國的現(xiàn)代化建設已經(jīng)進入了一個新的階段，特別是進入 21 世紀后，國際上科學技術的競爭日益激烈，我國要成為一個真正的工業(yè)化國家，成為名符其實的世界工廠，必須解決的一個重要問題是實現(xiàn)機械工業(yè)的現(xiàn)代化，實現(xiàn)這一目標的關鍵是要不斷有創(chuàng)新的技術和產(chǎn)品，這就要求我們高等院校培養(yǎng)出來的機械類專業(yè)的學生，不僅要具有基本的機械設計能力，同時要掌握創(chuàng)新設計能力，只有這樣才能適應國家新時期發(fā)展的需要。（ 3 ） 、目前國內(nèi)院校在機械設計能力培養(yǎng)方面的現(xiàn)狀。 國內(nèi)高校對機械設計能力培養(yǎng)的模式相對較為陳舊， 從 1956 年至今一直沿用前蘇聯(lián)的教學體系， 在教材內(nèi)容編排和教學方

4、法上都存在一些問題，影響了學生實際設計能力的培養(yǎng)。比如：有些分析方法已相對陳舊，和時代的要求差距明顯；機械設計課程教學內(nèi)容過分注重理論知識的講解，而對實際的設計問題缺乏應有的重視；機械設計教學中對零部件的設計和整機系統(tǒng)的設計之間的關系沒有給予足夠的重視；過分強調(diào)理論設計方法而淡化經(jīng)驗性設計內(nèi)容；機械設計能力的培養(yǎng)過程完全依賴詳盡指導教材的課程設計而沒有進行創(chuàng)新（實際）內(nèi)容的設計。這些問題嚴重制約了對學生機械設計能力的培養(yǎng)，畢業(yè)出來的機械類專業(yè)學生不具有獨立從事機械設計的能力，難以從事具有一定難度和創(chuàng)新性的機械專業(yè)的科研和技術工作。2團隊制訂的機械設計課程教學思想（ 1） 、教學中強調(diào)設計思想的

5、傳授機械設計這門課程中包含的知識體系較為廣泛，既有大量的理論計算、理論推導，又有大量的經(jīng)驗公式和經(jīng)驗圖表。學生在學習過程中往往會有一種無從下手的感覺，他們總是不斷的詢問：哪些要求記下來，哪些不要求記下來，哪些公式要會推導，哪些公式不要會推導。因此，在進行課堂講解時首先一定要讓學生從紛繁的知識堆里找到學習的方向，建立本門課程學習的指導思想。通過分析我們認為，掌握機械設計的設計思想應該成為學習的重點。所謂設計思想就是貫穿于教材中的一些零散的設計理論，這些理論不一定都是以某種公式或圖表進行表達，它要告訴我們的往往是關于如何進行該零部件的設計，設計中應注意什么，使用中應注意什么，各種參數(shù)的意義和對該零

6、部件性能的影響過程，以及如何選取和確定這些參數(shù)。這些設計思想往往不具有嚴密的整體邏輯關系，需要花一定的精力在理解的基礎上去記憶。這些設計思想應該是本門課程學習的重點之一，應予以足夠的重視。（ 2） 、課程教學中淡化過細的理論內(nèi)容機械設計課程內(nèi)容中包含了大量的理論內(nèi)容，特別是一些理論公式和計算圖表成為學生在學習過程中的主要困難，學生們常常反映公式太多記不住，這往往會使他們產(chǎn)生一種“機械設計課程難學”的思想，影響了教學效果。為此，我們在進行課程教學的過程中，首先對每一章內(nèi)容中的所有公式進行分類，將其劃分為基本掌握公式和基本了解公式兩類。對于基本掌握公式要求學生一定掌握，因為沒有這些公式的支撐很難建

7、立基本的設計思想，但有些公式不僅比較復雜記憶十分困難，而且即使短期能夠記住，但過幾天就很快忘記，這樣的公式只要求學生對其理解，掌握使用方法以及使用中的注意事項，能夠正確使用即可。（ 3） 、將零散的零件參數(shù)的確定與零部件結構設計相結合零部件計算參數(shù)和結構參數(shù)的確定方法是機械設計課程中的一個重要組成部分，這部分內(nèi)容理解與掌握的程度直接關系到學生能否完整掌握單個零部件的設計。由于這部分內(nèi)容一般都分散于每一章的教學內(nèi)容中，使得學生學習過程較為困難，往往一章內(nèi)容學完之后，學生對于如何完整設計出這一零部件仍然感到十分困難。為此，我們在教學過程中將這些分散于課程中的知識點歸納集中起來，在每章教學內(nèi)容完成之

8、后花半節(jié)課左右的時間進行提綱挈領式的歸納，讓學生建立該零部件的參數(shù)設計方法。下面以齒輪傳動的教學內(nèi)容為例進行說明。齒輪的結構參數(shù)主要包括：齒數(shù)、模數(shù)、變位系數(shù)、齒輪寬度、分度圓直徑、齒頂圓直徑、齒根圓直徑、中心距、齒輪結構形式、中心孔直徑、輪轂鍵槽尺寸等。這些參數(shù)中，齒數(shù)的大小根據(jù)最小齒數(shù)、傳動比、外形尺寸要求等條件確定；模數(shù)大小根據(jù)齒面接觸疲勞強度計算和選定的齒數(shù)確定，或根據(jù)齒根彎曲疲勞強度計算結合標準模數(shù)序列確定；變位系數(shù)根據(jù)中心距取標準或為了大小齒輪強度平衡進行計算之后確定；齒輪寬度根據(jù)選定的齒寬系數(shù)進行確定；分度圓直徑根據(jù)齒數(shù)和模數(shù)確定；齒根圓直徑等于分度圓直徑減去兩個齒根高；齒頂圓直

9、徑等于分度圓直徑加上兩個齒頂高；中心距根據(jù)齒數(shù)、模數(shù)和變位系數(shù)確定；齒輪結構形式根據(jù)幾何尺寸、加工工藝、毛坯材料、生產(chǎn)批量及經(jīng)濟性確定；中心孔尺寸根據(jù)相配的轉軸直徑確定；輪轂鍵槽尺寸根據(jù)相配的軸徑查表確定。上述尺寸確定后就可以根據(jù)機械制圖的有關知識畫出一張完整的齒輪設計圖。通過這樣的講解，學生們對齒輪的有關設計參數(shù)一目了然，對設計一個具體的齒輪有了較為明確的認識。（ 4） 、將單個零部件的設計與整機設計結合起來在實際的工業(yè)應用中，零部件往往不是單獨使用的，它們要相互聯(lián)接、配合形成系統(tǒng)進行工作。因此，機械設計課程教學的目標決不僅僅是為了能夠進行單個零部件的設計，而是面向實際機械系統(tǒng)的設計。但目前

10、國內(nèi)高校機械設計課程的內(nèi)容在編排上都是以零部件進行分塊講解，各個零部件之間沒有很好地建立有機的聯(lián)系，學生在學完整個課程之后雖然能夠進行單個零部件的設計，但面臨整機設計中的零部件之間相關問題設計往往無所適從。為此，我們在教學中每講到某一個零部件的設計時總要抽出一定的時間詳細介紹一下該零部件與其它零部件間的關系、設計中如何進行相互協(xié)調(diào)。3機械設計課程設計中引入創(chuàng)新（實際）設計環(huán)節(jié)目前機械設計課程中關于整機設計能力的培養(yǎng)主要是通過一個課程設計環(huán)節(jié)來進行，但由于課程設計內(nèi)容的程式化成分很高，學生根本不用動太多的腦筋就可以完成整個變速箱設計，對學生實際設計能力及創(chuàng)新能力的培養(yǎng)力度十分有限。為此，我們在不

11、增加教學總時數(shù)和學生負擔的前提下引入創(chuàng)新（實際）機械設計環(huán)節(jié)。該教學環(huán)節(jié)的兩個基本原則是：培養(yǎng)學生的基本設計能力和培養(yǎng)學生的創(chuàng)新（實際）設計能力并重。該教學環(huán)節(jié)的教學總目標是：在培養(yǎng)學生的實際設計能力和創(chuàng)新能力的同時，創(chuàng)造出有市場價值、能夠服務于社會的實實在在的產(chǎn)品。具體操作過程如下：（ 1） 、變雙級齒輪變速箱設計為單級齒輪傳動設計。 單級齒輪傳動變速箱與雙級齒輪變速箱在設計方法上沒有本質(zhì)上的區(qū)別，他們所涉及的機械設計內(nèi)容是同等的。雙級齒輪傳動變速箱相比僅多了一級齒輪傳動計算，改成單級后可以縮短學生完成這部分內(nèi)容的時間，同時由不會影響學生基本設計能力的培養(yǎng)。（ 2） 、將變速箱設計分散于整個

12、機械設計課程的教學過程中。 我們將以往集中時間進行課程設計教學改為部分分散然后集中的教學方法，將齒輪變速箱設計的一部分內(nèi)容融于機械設計課程設計教學中。這樣，可以使學生隨著機械設計課程的進行以課外作業(yè)的形式逐步完成除裝配圖以外的傳動計算部分、標準件選擇部分，并進行變速箱結構設計的草圖繪制。待第一學期結束時，即可完成變速箱設計內(nèi)容的60%左右。剩下的裝配圖和設計說明書及答辯留待第二學期開學后的第一個星期集中完成。這樣，不僅可以使學生十分輕松的在一個星期內(nèi)完成變速箱設計，同時通過這樣的一種漸進式教學過程，學生的基本設計能力的培養(yǎng)會更扎實。此外，這樣的一種教學安排還可以大大改善機械設計課程的教學質(zhì)量，

13、 使學生在學習理論課程內(nèi)容的同時能結合實際設計問題， 從而活學活用，避免理論與實際脫離的現(xiàn)象。（ 3） 、變模仿型設計訓練為思考型設計訓練 。以往學生在進行變速箱設計時，習慣于照搬設計指導書的設計方法，這容易使學生的思維僵化，不善于應用所學知識去解決問題。為此，采用先拋開課程設計指導的方法指導學生設計，給學生以必要的提示，并列出參考書目，鼓勵他們?nèi)ゲ檎屹Y料，翻手冊，并培養(yǎng)他們從各種資料及數(shù)據(jù)中歸納整理的能力，讓他們從無從下手的困境中找到進一步工作的方向，讓他們在失敗及走彎路的過程中學會如何設計。這是一個以學生為主體的教學過程，比起以往的模仿式教學將可以大大提高教學質(zhì)量。（ 4） 、引入創(chuàng)新（實

14、際）設計教學環(huán)節(jié)。 在完成對學生進行的機械設計基本能力訓練之后，我們用一個星期的時間對學生進行創(chuàng)造性設計能力的培養(yǎng)。我們準備若干兼顧基礎性、知識性、前沿性的設計題目，設計工作量雖不是很大，但思維創(chuàng)新的空間較為廣闊，給學生創(chuàng)造性思維的余地。應用的設計原理、結構理論沒有固定的模式，只提供一設計思想及所要達到的預期目標。指導教師與學生之間可以討論，教師可以提示學生如何查資料及進行設計中的注意事項，把能動性留給學生。該部分的設計評分標準有三個方面衡量，一是創(chuàng)新性；二是規(guī)范性；三是圖面質(zhì)量。待整個設計完成后集中一天時間由教師主持一個討論會，先由學生自己介紹自己的設計題目、設計思想。其他學生自由發(fā)言、提問

15、、討論、指出優(yōu)缺點。通過這樣一個過程促進學生創(chuàng)新性思維及應用所學知識的能力。按照上述教改方案，從1999 年開始 , 對我校機械學院連續(xù)6 屆學生進行了實踐。不僅使學生的基本設計能力得以鍛煉，同時也培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新（實際）設計能力。學生們參與的熱情十分高漲，他們構思了一個個方案，有的同學不惜推倒十幾個方案從頭再來仍不氣餒。學生們從最初的無從下手，到慢慢找到思考問題的方向，并沿著這一方向不斷發(fā)現(xiàn)解決問題的方法。學生們的創(chuàng)新能力和潛力得到發(fā)揮，但創(chuàng)新的成果令人鼓舞，每個設計題目都產(chǎn)生了幾種乃至幾十種設計方案，有些作品極富創(chuàng)新和實用價值。學生們在一個星期的創(chuàng)新設計完成后普遍感到進一步建立了設計的概念

16、，面對新的設計題目有努力的方向感了。4開展機械設計課程后延續(xù)培養(yǎng)活動（ 1） 、課程創(chuàng)新教學過程中注意發(fā)現(xiàn)學生的創(chuàng)新點按照目前的教學模式，在指導學生進行機械設計課程設計的時間是兩個星期，其中第一個星期進行的是變速箱的設計，有設計指導書作為輔助教材，這一部分的教學目標是培養(yǎng)學生的基本機械設計能力。第二個星期是進行創(chuàng)新機械設計能力的培養(yǎng)教學，由指導教師收集整理若干具有創(chuàng)新背景的課題，這些課題具有實用性、前沿性和可操作性的特點，這些課題的設計過程沒有指導教材、也沒有任何參考資料，整個設計過程由學生自主進行，教師則僅充當討論的伙伴、一位有設計經(jīng)驗的咨詢對象，鼓勵學生動腦筋設計自己的作品。從第一周的變速

17、箱設計開始，教師就可以發(fā)現(xiàn)，有些學生很具有空間想象能力，不時會提出一些有價值的設想、建議，對于這樣一些同學，教師在與他們進行討論的同時要作好記錄的準備，進行科學的引導，發(fā)現(xiàn)那些學有余力、善于動腦筋的創(chuàng)新設計苗子。到了第二星期的創(chuàng)新機械設計教學階段，要采取一些有效的方法鼓勵學生創(chuàng)新、進行科學的引導，比如：指導他們查資料、指導他們對提出的設計方案進行分析和歸納、和他們一起討論什么是創(chuàng)新、如何實現(xiàn)創(chuàng)新，在這一階段要注意每一位同學的創(chuàng)新思想火花，采取有效的方式將他們的創(chuàng)新思想、甚至僅僅是一點十分局部的創(chuàng)新構思，引導到有益的創(chuàng)新方向上。特別重要的是，學生在進行創(chuàng)新活動過程中思想雖然十分活躍，但也很脆弱，

18、擔心同學和老師的不理解，這就需要教師不斷對學生的工作進行鼓勵，提高他們創(chuàng)新的勇氣和信心，努力為學生營造一個寬松、自由、民主的創(chuàng)新環(huán)境，充分調(diào)動他們的積極性。特別要注意在這樣一個教學過程中發(fā)現(xiàn)具有創(chuàng)新設計潛力的學生。從以往的操作實踐過程發(fā)現(xiàn)，通過這樣一個星期的創(chuàng)新教學過程，大約有10% 的學生完成了具有很好創(chuàng)新性的設計作品，大約30% 的同學完成了具有部分創(chuàng)新的作品，大約30% 的學生作品只有很少一點創(chuàng)新的火花，還有大約30%的學生由于基礎知識薄弱等問題，無法完成創(chuàng)新設計。（ 2） 、創(chuàng)新機械設計的課程后延續(xù)培養(yǎng)上面所述的教學過程雖然比起以往只讓學生設計一個變速箱的教學模式相比有了很大的提高，但

19、對學生的創(chuàng)新設計能力的培養(yǎng)仍然是有限的。為此，作者設計了一種機械設計課程后培養(yǎng)方案，該方案的核心就是通過課程教學過程發(fā)現(xiàn)具有創(chuàng)新潛力的學生，待課程教學工作結束以后，利用業(yè)余時間指導學生繼續(xù)就他們尚未完成的創(chuàng)新作品進行深入研究，進行課程后的繼續(xù)創(chuàng)新活動。按照這樣一個新的教學模式，作者進行了多年的教學嘗試，將那些在課程教學過程中發(fā)現(xiàn)的有創(chuàng)新潛力的學生進行跟蹤指導，指導他們從方案的構思、結構設計、工藝設計，一步步進行深入分析和研究，最終完成整個創(chuàng)新設計作品，在設計工作完成之后，將學生的作品制作成展板，進行公開展覽和點評，進一步鼓勵學生進行創(chuàng)新機械設計的熱情，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，也為下一屆學時提供示范

20、和鼓勵作用。對于那些設計確實有創(chuàng)新和實際應用前景的作品，指導他們進行加工制作，完成實物樣機，對于有些個別具有原理創(chuàng)新的作品，鼓勵他們申請專利。這樣的一種課程后創(chuàng)新設計能力培養(yǎng)模式大約需要兩個月的時間，這段時間正好處于學期的前半段，學生有比較充裕的業(yè)余時間，因此具有良好的操作性，加上積極有效的鼓勵，學生的參與熱情很高，特別是當他們看到自己的作品有了突破、受到老師的稱贊、作成了實物甚至可以申請專利，學生的熱情特別高漲，只要教師愿意投入精力，這樣的教學模式完全可以進行下去。通過實際教學實踐，該教學模式取得了顯著的教學效果，幾乎每一屆同學都涌現(xiàn)出許多富于創(chuàng)新的優(yōu)秀作品，有多項作品參加國內(nèi)外比賽獲得了創(chuàng)

21、新獎項，有多項作品申請專利獲得成功。5結束語通過兩年來的創(chuàng)新團隊建設實踐，我們深深體會到，創(chuàng)新教學是一個十分艱苦的探索性過程，教學方法要不斷探索和更新、教學內(nèi)容要不斷探索和更新，因為我們面對的時代和學生的情況在不斷變化、教學環(huán)境也在不斷發(fā)生變化。創(chuàng)新團隊作為一種全新的教學模式，也在發(fā)展和探索過程，我們的努力剛剛起步，艱苦的工作還在后面。附錄：創(chuàng)新教學團隊取得的教學成果列表表1學生在國內(nèi)外獲得的創(chuàng)新比賽獎序號作品名稱學生姓名獎項名稱時間1滾滑組合非等距螺旋汽車 千斤頂許躍德，呂亞 冰第6屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學生科 技作品競賽鼓勵獎19992離心摩擦式高層建筑火災 逃生裝置盧志明第7屆“挑戰(zhàn)杯”全國

22、大學生科 技作品競賽二等獎20013變升程螺旋拉桿式汽車用 千斤頂楊劍，寧明志第7屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學生科 技作品競賽二等獎20014滾筒振動式硬幣分檢器張力第8屆“挑戰(zhàn)杯”全國大學生科 技作品競賽三等獎20025滾筒振動式硬幣分檢器張力第1屆全國“創(chuàng)新杯”機械設計 比賽二等獎20026滾筒振動式硬幣分檢器張力上海市2002年度高校學生“創(chuàng)造 發(fā)明三槍杯”獎20027易拉罐空罐有償回收裝置鞏彬彬上海市2002年度高校學生“創(chuàng)造 發(fā)明三槍杯”獎20028易拉罐空罐有償回收裝置鞏彬彬第一屆全國大學生機械設計創(chuàng)新大賽二等獎20049易拉罐空罐有償回收裝置鞏彬彬華東地區(qū)大學生機械設計創(chuàng)新比處 、丁矢2

23、00410滾筒振動式硬幣分檢器張力第一屆上海國際發(fā)明博覽會銅獎200411齒輪齒條式汽車用千斤頂嵇緯吉2004年度上海高校創(chuàng)造發(fā)明“三 槍杯”獎200512螺旋式自動售報機武法森“上汽教育杯”大學生科技創(chuàng)新 獎200613齒輪齒條式汽車用千斤頂嵇緯吉“上汽教育杯”大學生科技創(chuàng)新 獎200614腳踏式環(huán)狀楔塊驅動螺旋 千斤頂陶宗杰上海市發(fā)明協(xié)會2005年度“科創(chuàng) 杯”創(chuàng)造發(fā)明三等獎200615腳踏式環(huán)狀楔塊驅動螺旋 千斤頂陶宗杰上海市首屆工程問題挑戰(zhàn)賽三等 獎200616拉繩式擦窗裝置凌正陽上海市首屆工程問題挑戰(zhàn)賽優(yōu)秀 獎17自動售報機單莘，王洪生上海市首屆工程問題挑戰(zhàn)賽優(yōu)秀 獎18腳踏式環(huán)狀楔

24、塊驅動螺旋 千斤頂陶宗杰全國大學生過程裝備實踐與創(chuàng)新 大賽優(yōu)勝獎19新型管道爬行機器人 設計王軍全國大學生過程裝備實踐與創(chuàng)新 大賽優(yōu)勝獎20球形滾動機器人顧凱端全國大學生過程裝備實踐與創(chuàng)新 大賽優(yōu)勝獎表2學生獲得的專利序號專利名稱學生姓名司號獲得時間1多功能臺虎鉗周小磊zl 01238421.620022離心摩擦式高層建筑火災逃生裝置盧志明zl 01238423.220023變升程螺旋拉桿式汽車用千斤頂楊劍，寧明志zl 01238422.420024滾筒振動式硬幣分檢器張力zl 02216578.920035齒條直線升降式汽車用千斤頂周敏zl 02216579.720036易拉罐空罐有償回收裝

25、置鞏彬彬zl03231162.120047家用微型稻谷去殼機馬利江zl 03232462.620048腳踏式電桿爬升裝置張慶zl03232461.820049腳踏式環(huán)狀楔塊驅動螺旋千斤頂陶宗杰劉# : 200620041591.8200610新型自動售報機王洪生，單莘: 200620040797.92006。發(fā)表的教學論文1、安琦.機械設計課程設計教改探索，高等工程教育研究，1999年，第1期。2、安琦.英國高校機械工程專業(yè)教學模式淺析?；じ叩冉逃?2003年第1期。3、沈昱，安琦.鏈傳動受力分析及計算方法商榷，機械科學與技術，2002年第2期。4、安琦.機械設計課程教學中引入創(chuàng)新設計內(nèi)容改革嘗試，2001年全國機械設計教學研討會，2001年11月5、安琦，王小芳.給學生一片真實的創(chuàng)新土地，教育研究，2001年第4期。6、安琦，王小芳.機械設計課程教學方法探索與實踐，2002年全國機械設計教學研討會議，2002年8月。7、安琦.中外高校機械類專業(yè)“機械設計”課程教學內(nèi)容比較分析，全國過程裝備與控制專業(yè)雙語 教學研討會，2003年5月。8、蘆定軍，安琦.推力滑動軸承固定瓦塊傾角的研究，潤滑與密封，2004年第3期9