談談機械設計中的智力培養

摘要：機械設計是從事機電產品設計的重要基礎知識，本文結合機械設計課程內容的教學，提出觀察、比擬與借用、拓展、實例設計、簡約、反對本本主義與教條主義和想象等培養學生智力的方法，并且討論了從專業基礎知識的掌握、思維能力的發展、獲取新知識的能力的提升、健康的人文心理等方面評價學生的產品創新設計智力。

關鍵詞：機械設計；智力的訓練；方法；智力的評價

1 引言

機械設計是機械工程專業的一門技術基礎課，其對掌握機械工程的專業知識、提升產品創新設計能力有重要的作用。作為生產力的一個要素，工程技術把科學原理轉變為改造世界的動力，是科學發現和產業發展聯系的橋梁，是產業革命、經濟發展與社會進步的強大杠桿。機械工程作為工業化的支柱產業，為電氣化、信息化和智能化產業提供技術裝備，因此，探討機械設計課程教學中，學生能力的培養具有現實意義。在德、智、體、美的素質方面，機械設計教學對培養和提高學生的智力有積極的意義。

中國的機械工程高等教育從20世紀初開始，在建國后特別是近幾年來有長足的發展。在創新教育提升到國家戰略層面以后，機械產品的創新設計就成為機械設計的核心目標，而創新能力的培養貫穿在每門課程的教學過程中，在教學中與同學一起探索機械產品原理設計、參數設計和結構設計的奧秘，發現機械設計中原理和方法的奧妙。機械原理和機械零件的內容是機械工程的技術基礎，有必要討論該課程教學中的學生智力培養問題。

機械設計的教學包括知識的掌握和能力的提高。本文擬結合多年的機械設計課程教學體會，討論學生的智力基礎、機械設計課程中的智力訓練方法和智力培養的評價三個問題，以期與同行交流，起到拋磚引玉的作用。

2 學生的智力基礎

經過高級中學階段的語文、外語、數學、物理和化學等課程的學習，同學們已經掌握了較好的讀書、寫作、計算、觀察和表達能力。經過高等中學和大學前兩年的學習，同學們已經掌握了學習的5種不同形式，即簡單聯想學習、工具性條件作用和嘗試錯誤的學習、模仿性學習、頓悟學習和數理推理的學習。經過大學階段的高等數學、畫法幾何、機械制圖、工程力學等理論課程的學習，并且經過實踐和生產實習等實踐環節有力地加深了同學們對機械工程、機械設備自動化的認識。機械設計課程的核心就是使得學生掌握通用機械零部件的設計原理、設計方法和設計準則，能夠詳細地分析機械的原理設計、參數設計和結構設計。作為工程科學技術人員的培養目標，基本要求是閱讀能力、思考能力、表達能力、計算方法、原理解和結構解的掌握和應用。

閱讀能力。閱讀是學習的基礎，中文文獻和外文文獻的閱讀是掌握知識的基本途徑，因此對文獻的閱讀過程，應掌握文獻的主題思想、段落大意，這點同學們在小學階段就已經有了長期的訓練。在大學階段，通過閱讀某個主題的科技進展報告，理清這個主題的層次關系，從而全面地把握這個科技研究方向的科技知識。通過對理論模型的閱讀，可以掌握理論數學物理建模的思路，以數學的語言來客觀地表述物理對象的客觀規律。通過對實驗文獻的閱讀，可以從實驗原理、實驗設計、實驗測試過程和實驗數據分析等方面，養成實踐是檢驗科學真理標準的習慣，在實驗設計方面鍛煉自己的原理創新能力。記憶能力是一個人智力發展的必要基礎，博聞強記對于知識和技能的學習是十分重要的，尤其對于增長經驗知識是十分必要的。在閱讀前人知識的過程中，應該養成思考的習慣。

思考能力。批評、反思和批判能力對于創新的智力培養是基本途徑之一?？茖W的最基本態度之一就是疑問，科學的最基本精神之一就是批判。高度的思考能力是人類優于自然界其他物種的智慧體現，在閱讀資料的過程中，應培養同學的批判性思考習慣。前人說“有所發明的人，溝通自然和人類的人，好像鏡子前面的實物；一味背誦的人，則好像鏡子里面的物影?！睂τ谇叭颂岢龅睦碚撃Ｐ?，要分析其前提假設條件和適用范圍；對于前人的實驗原理和實驗設計，應該思考其測試參數和測試范圍的局限性。對于一個新的科技方向，應思考其各個研究問題，全面的分析問題和解決問題。對于成熟的工程技術，探索新的工程原理，以簡化機械系統的復雜程度、降低成本或使得其操作和維護更加安全和方便。同時，作為機械設計的學習和思考結果，要用技術語言表達出來，以達到信息交流的目的。

表達能力。對于技術思想和技術流程的系統表達，不僅體現在讀書報告中，也是畢業設計和學位論文撰寫的要求。對于機械設計課程的設計結果，能夠用文字、圖表和公式，按照計機器的程序完整的表達給他人。表達能力的強弱與語言能力密切相關。大學生已經學習了多年的中文和外語，但是要做到準確地表達自己并不是一蹴而就的，對技術內容的表達要求是正確、明了和簡潔的。

技術語言的表達首先要求是正確的，錯誤的表達會引起讀者的誤解和茫然，別人不能理解作者要表達什么，并且損害別人對設計者的信任和評價，因此提交給別人的技術資料自己必須修改三遍以上，盡可能的消除表達的誤漏之處。在此基礎上，技術資料的撰寫應有邏輯性和層次性，便于讀者的閱讀和理解。技術資料的寫作還應簡明扼要，不要拖泥帶水，不要為了篇幅而堆砌圖表，而應以典型的理論公式和實驗結果來說明關鍵問題。

計算方法的知識。通過數學的學習，同學們已經掌握了必要的計算能力，結合計算方法的學習，同學們具備了運用計算機解決問題的能力。機械設計的物理對象，依據工程力學的原理建立數學模型，然后求解，也可以進一步討論參數優化設計和可靠性設計。在技術因素和成本因素的基礎上，探尋機械產品的價值設計和成本優化設計。對于機械系統，用系統優化的思想進行功能分解和優化設計。近來，分形幾何、神經網絡和智能方法等在機械設計中得到越來越多的應用，例如零件表面質量的分形分析、潤滑和磨損過程的神經網絡模型、智能的機械結構設計方法等。

原理解的知識。在機械設計中，除了中學階段學習的滑輪、杠桿和斜面等原理外，還學習凸輪傳動、連桿傳動、齒輪傳動、螺旋傳動、帶傳動、鏈傳動和間歇傳動等。為了實現機械能的傳遞，設計人員可以采用不同的傳動原理方案，即原理解。軸的支承，可以用滑動軸承、滾動軸承、電磁軸承、靜電軸承等不同的原理解。原理解的知識及其靈活運用是設計人員必須掌握的技術能力。

在工程中的機械產品設計中，原理解的提出與創新是關鍵問題之一。例如，測量液體的粘度技術，有落重式、毛細管剪切式、機械沖壓式、超聲波式等等。原理解的創新會導致產品新的概念設計，例如電風扇的設計，可以是葉片式、噴管式或吸管式等，還可以是機械式或電磁式等。

結構解的知識。機械設計中介紹輪子的結構、連接的結構、軸承和軸的結構等。每種結構都有匹配性，例如內螺紋與外螺紋、大齒輪和小齒輪、軸與孔等的匹配。結構設計的結果是以機械圖紙的形式予以表達，因此機械制圖對正確地表達機械結構具有基礎性地作用。另一方面，機械零件的設計過程中，必須考慮零件的材料和熱處理、機械零件的加工工藝性等。機械結構設計的越簡單，其制造加工成本越低，機械結構設計是機械工程的特色之一。

在機械設計的教學中，不僅要注重以上機械設計的基礎能力培養，而且要提升設計者的分析問題和解決問題的能力，具體的表現為觀察、拓展、想象和創造心理學等能力訓練。

3 智力的訓練方法

智力訓練的目標是掌握獵取新知識的能力。而智力的培養過程是逐漸展開的，具有層次性和迭代性，呈現螺旋式上升的基本范式。古人說“不積跬步，無以至千里；不積小流，無以成江海?！碑a品設計能力的提升是日積月累的結果，不能指望一日過后，學生的產品設計能力就能刮目相看，而應是水滴石穿的過程，機械設計教學的教師同樣需要不斷地提高機械產品設計的能力。培養同學智力的方法有觀察、比擬、實例分析、簡約和想象等，在機械產品設計能力的訓練過程中，應一切從產品設計出發，反對教條主義。

觀察。對自然界中事物的觀察和思考是發展智力的基本方法，“業精于勤荒于嬉，行成于思毀于隨?！辈粌H在機械原理和機械零件的實驗課中要仔細觀測實驗現象和分析實驗結果，在日常的生活中也要隨時觀察，觀察遇到的各種機械的工作原理和機械結構，思考實現同樣功能的新原理和新技術。結合科學知識的最新發展，思索能否用新的科學原理來實現已有機械的功能。主動的觀察和思考是積極的人生態度的反映，也能鞏固自己已經學習過的知識，養成靈活應用知識的習慣。

比擬和借用。在機械設計中有時需要借用其他學科的原理知識來進行創新，例如借用水變成冰時體積膨脹的原理來破碎物體，利用做冰凍豆腐的原理來設計多孔材料的制造設備。機械設計中的仿生設計大多是借用自然界中的物理和化學原理，來設計新型的機械裝置。

拓展。對已學知識的拓展是機械設計方法發展的主要手段之一，例如從一維彈流潤滑拓展到二維、三維彈流潤滑的研究，從切向微動磨損拓展到切向和法向共同作用的微動磨損研究。對機械設計知識的拓展例子在機械設計教材中有很多，例如從滑動螺旋拓展到滾動螺旋、從滑動蝸桿傳動拓展到滾動蝸桿傳動。

實例設計。實例設計是培養同學掌握機械設計知識、設計方法、設計流程和撰寫技術報告的有效途徑。例如設計減速器，可以訓練齒輪傳動或蝸桿傳動、螺紋連接、鍵連接、銷連接、軸、滾動軸承或滑動軸承和聯軸器等的設計準則和設計方法。機械設計課程教學中的大作業也起到同樣的功效，例如千斤頂的設計和軸系結構設計等。

簡約的設計。機械設計的不同階段，原理解、結構解和參數優化等，設計者都要考慮多種方案，然后從這些方案中選擇技術性能好、可靠性高的設計方案用于產品設計?！安┯^而約取，厚積而薄發。”設計者積累的知識和技術方案越多，對設計的最佳化無疑是有促進作用的。漢代的雕塑和宋代的工筆畫這兩種藝術思路對我們的機械設計是有啟發意義的，簡約而不簡單是設計者的設計藝術的體現。

思維上要反對本本主義和教條主義。古人說“盡信書，則不如無書?！睙o疑書籍中的知識絕大多數是正確的，但是在機械產品設計中僅僅靠書本知識是不夠的，同學們不應有書中沒有說就不能做的思想禁錮，因此需要提出反對教條主義。機械設計中的零部件設計準則和設計方法都是在一定的失效形式下提出的，不能認為機械零件的失效形式是不變的。例如，設計滾動軸承主要考慮疲勞壽命和振動噪聲，但在高速重載條件下，滾動軸承首先發生的是膠合失效，這時就需要從抗膠合失效來制訂設計準則，推出設計方法，根據膠合失效的模型來設計滾動軸承。

想象。設計思維的翅膀就是想象，機械產品設計者要有很豐富的想象力。作者曾經從功能、原理、結構、工具、方法和原理等角度討論了想象力在產品設計中的作用。優秀的機械產品設計者應該有豐富的想象力，而且要敢于想象，不甘于做文獻的奴隸。

討論課是一種培養學生思考的好形式，引導學生對問題依次展開，由主到次，由近及遠，逐一考量問題的各個方面，通過共同討論、思考和總結，鞭辟入里地剖析問題，形成小組的討論總結報告，然后提交全班討論。

在智力的教育過程中對學生應“不憤不啟，不悱不發?！蓖ㄟ^學習機械設計課程，使學生養成“學而不思則罔，思而不學則殆”的學習習慣，學習知識與批判性的思考相結合，進一步的理解所學的知識，并且通過思考過程，獲得一種依據所學知識去獵取新知識的能力。

4 智力培養的評價

原理和技術的創新是建設經濟強國之本，而創新在于人才教育，不僅是大學階段的教育，還應伴隨科技工作者終生。以掌握的知識為基礎，獲取新的知識，探索未知的問題，拓展自己的能力，這才是一位創新人才的必備素質。另一方面，創新者應有良好的心理素質和品德修養，不以勢壓人，不嫉賢妒能，不固步自封，不妄自菲薄。以謙誠的態度和一顆感恩的心，去探尋新的原理和新的技術，以全面求索的態度面對工程實踐中新問題的挑戰。

專業基礎知識的掌握。毫無疑問專業基礎知識的掌握是機械設計教學的基本目標之一，學生只有掌握了專業基礎知識，才能在以后去獲取新的知識，創造出新的技術。機械設計的基礎知識是設計者知識大廈的根基，因此必須很好地理解機械設計專業的基礎內容，為今后的提高提供必要的準備。

思維能力的發展。機械設計教學的第二個基本要求就是掌握機械產品設計的幾種思維能力，對零件失效形式的歸納思維，例如鏈傳動的許用功率線圖；演繹思維，例如流體動壓滑動軸承的油膜壓力生成原理；組合思維，例如防松螺紋連接的設計；變異的思維，例如不完全齒輪傳動；綜合的思維，例如輪系的設計；拓展的思維，例如摩擦輪輪系的設計。

在學習機械設計過程中，思維的能力得到拓展。系統優化設計思維，例如齒輪減速器的優化設計；新材料的應用，例如納米潤滑添加劑；加工工藝性的思維，例如螺栓的搓制加工工藝；安裝和維護的思維，例如剖分式滑動軸承設計；安全性設計理念，例如帶傳動的摩擦靜電消除設計；成本最低的價值設計思路，例如蝸輪齒圈的設計等。

獲取新知識的能力提升。機械設計課程中有80％以上的機械工程專業詞匯，熟悉專業術語的內涵和外延有利于設計者分類產品設計，有益于產品的創新設計。在大學本科畢業后，學生可以利用所學的機械設計知識，閱讀科技文獻，理解和拓展新的知識，為自己設計產品的能力添磚加瓦，不斷提升自己的創新設計能力。

健康人文心理的完善。一名優秀的設計者應具備良好的心理素質。一方面，在遇到困難時不退縮，而是開拓性前進，持之以恒的探求新的問題。另一方面，在成績面前不會固步自封，停滯不前，而是不斷地學習和提高，使得自己的產品設計能力上升到新的高度。不然，會形成對問題的偏見，阻礙自己和他人的正確意見，成為技術進步的阻力。

5 小結

知識和創新能力是機械設計教學的主要內容。本文結合機械設計課程討論了教學過程中對學生的智力培養，討論了觀察、比擬和借用、拓展、實例設計、簡約、反對本本主義和教條主義、想象等課程教學中穿插的授課方法。提出從專業基礎知識的掌握、思維能力的發展、獲取新知識的能力的提升、健康的人文心理方面評價同學的產品設計能力?！伴L風破浪會有時，直掛云帆濟滄海。”通過在機械設計課程教學中的智力培養，一定能提高同學的產品創新設計能力。本文所說之見，一管窺豹，所得體會是機械設計教學的滄海一粟，以期能引起更多的教師來討論機械設計課程教學。

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