改進機構實驗設備培養學生創新實踐能力

孔蓉

重慶交通大學機電與汽車工程學院 重慶 400074

1 引言

創新能力培養包括創新意識的建立、創新思維方式和創新方法的訓練等方面[1]。對于機械類大學生而言，機械原理及實驗就是培養學生創新思維和創新能力的理想課程。尤其機構設計實驗已越來越多地融入創新思維和創新技能訓練的內容，不僅要求學生掌握機構演變創新方法和技能，如機構運動變換法、機構運動副變換法、機構同性異型變換法、機構反求變換法等[2]，而且要求學習和掌握好這些方法背后的創新思維方式，如發散性思維、收斂性思維、形象思維、抽象思維、直覺思維、聯想思維、類比思維、逆向性思維、差異性思維等[3]。

訓練思維方式和機構創新技能必須要有良好的實踐條件，即需要功能較為完善、可以滿足學生思維和技能訓練的機構創新實驗平臺。遺憾的是，目前的機械創新實驗設備要么是單一機構實驗臺，如凸輪機構實驗臺、曲柄滑塊機構運動參數實驗臺等，要么是只能實現部分機構實驗的設備，如平面機構創新設計實驗臺。即便是機械系統綜合實驗臺，也只能實現部分機械系統組態實驗。因此，機械創新實驗設備功能的嚴重不足是機械專業大學生創新思維和創新能力培養的一大障礙。如何改造現有創新實驗設備，增加其功能，是實驗室教師非常關注的問題。本文旨在探討如何改進現有機構實驗設備功能，改善其創新設計實驗效果，有效提高學生創新實踐能力等問題。

2 實驗設備功能缺陷與改進

重慶交通大學機械原理實驗室于2006年購進5臺平面機構創新設計實驗設備，供學生進行機構創新設計實驗用。該設備由創意組合機械系統搭接綜合實驗臺、機構構件庫、平面機構多級組合測試分析實驗臺和PC微機等4個部分組成，可完成曲柄滑塊機構、曲柄導桿滑塊機構、曲柄搖塊—齒輪齒條機構、雙曲柄搖塊機構、凸輪機構、槽輪機構、齒輪—曲柄搖桿機構、齒輪—槽輪機構等15種機構搭接實驗和運動測試分析。該設備構件庫中配備有齒輪式曲柄、連桿等構件，有回轉副、移動副、齒輪副、齒輪齒條機構、凸輪機構、槽輪機構、皮帶和皮帶輪等基本機構，還配有交流電機、直流電機、旋轉編碼角位移傳感器、無觸點擺角傳感器、直線位移傳感器，以及可進行高速動態參數測試的PCI數模轉換采集卡等電氣裝置。

2.1 實驗設備的功能缺陷

在機構創新設計實驗中，學生的發散思維一旦激發，就會提出各種各樣的機構演化方案，希望進行實驗和測試，證明其可行性。這時會發現目前擁有的平面機構創新設計實驗設備遠遠不能滿足要求。如設計一個平面二自由度腿關節機構，其中髖關節的轉動中心固定不動，代表大腿的構件繞該中心作旋轉運動；代表小腿的構件上端與大腿構件下端鉸接，作為膝關節，并受電機驅動和控制，轉動角度和角速度要能被檢測和分析。但現有機構創新實驗設備缺乏可作為膝關節驅動器的小型可移動式電機，無法滿足其要求，使實驗不能開展，創新想法只能停留在思路和理論上。

再如，有學生希望觀察四桿機構分別在有1個、2個乃至3個轉動副擴大演化的情況下，機構中各構件運動參數的變化情況，但苦于設備的構件庫中無各種尺寸和不同形狀的運動副可選用，故實驗也無法實現。由于該平面機構創新設計實驗設備只配備了直線位移傳感器、轉角傳感器和擺角位移傳感器三種，在測取四桿機構的連桿延伸端運動軌跡時，若該端部軌跡為平面曲線運動，則無法直接用上述傳感器測取其軌跡曲線的坐標值。

歸納起來，現有平面機構創新實驗設備用于創新能力培養實驗主要存在的功能問題包括：

1）構件庫中，不同種類、不同形狀和不同尺寸的構件還不夠充足，無法滿足機構創新實驗臺實現多樣性機構的要求；

2）運動副類型、尺寸規格少，不能實現運動副演變的機構創新實驗；

3）驅動電機類型太少，尤其缺少小型直流減速力矩電機，完成多自由度機構實驗困難；

4）運動參數測量傳感器太少，測定平面曲線運動參數困難。

2.2 實驗設備的改進措施

1）自行設計制作部分構件，如長度可調式連桿構件，不同輪廓曲線的盤型凸輪、柱形凸輪和移動凸輪，3～6槽外嚙合槽輪和嚙合槽輪及其撥盤等，從而使學生在創新實驗時可供任意選擇的構件增多，可組合創新的機構也比原設備設計的數量增加。

2）根據實際需要，設計制作各種類型、多種尺寸、不同形狀的運動副供實驗選擇。

3）購置多種小功率，電壓在12～48 V范圍的直流力矩電動機、反應式步進電動機和直流電磁鐵（小行程位移執行器），并配購相應的電機驅動器模塊。

4）增加多路輸出、電壓可調的直流大功率穩壓電源，給電動機、電磁鐵提供驅動電能。

5）為了測量機構上任意點的軌跡曲線，設計加工一種傳感器組合連接器，將直線位移傳感器的外殼底端與旋轉編碼角位移傳感器或者擺角傳感器的外殼連接為一體，成為一個可測量機構上任一點極坐標（轉角+徑向位移）的組合傳感器。

6）改進原平面機構多級組合測試分析系統，新購一套數據采集系統，與電機和電磁鐵的驅動裝置一起構成新組合測控系統。

7）重新設計和編制實驗數據采集處理與分析軟件。

3 完成實驗方案，培養實踐技能

實驗設備經過改進，功能有所增加，但如何發揮好設備的作用，并且能不斷繼續開拓新的功能，就需要好好調動學生的熱情，提高其主動參與機構創新設計實驗的積極性。為給學生創造良好的實驗條件和提供方便，采取一系列措施。

首先，把機構創新設計實驗列為開放性實驗，學生隨時可以通過電話、短信或者電子郵件預約實驗時間，盡可能方便學生開展創新實驗活動。

其次，在實驗實施之前，指導學生運用一些創新思維方式，結合機構的演化方法，做好創新設計實驗方案，通過與實驗教師討論，進一步完善和修改方案后，再進入實驗準備階段。

第三，由于學生思維很活躍，設計的機構創意方案較多，盡管增加了不少構件和實驗裝置，也未必能滿足每個學生的實驗設計方案。因此，鼓勵學生自主地、創新地設計構件和運動副，并安排學生到學校機械實訓中心自行完成加工制作。這樣把實驗準備和機械加工實訓結合起來，不但提高了學生實驗設計和準備的能力，而且激發了學生積極創新和熱愛實踐活動的熱情，同時不斷擴充了機構創新實驗設備的功能和可以完成的實驗項目。

4 訓練思維方式，增強創新能力

要能培養好學生創新能力，除了有良好的設備條件，實驗教學方法和內容也不可忽視。為此，修訂機構創新設計實驗教學大綱，新編實驗指導書，增加有關思維方法知識和機構創新演化技能的介紹，明確實驗成績的考核細則和創新程度評價方法，從教學政策上鼓勵學生創新實踐。

在指導學生完成機構創新實驗設計中，改變過去單純傳授機構演變技能和方法的教學模式，而是從培養學生創新思維方式入手，結合各種機構創新方法，訓練他們的創新能力。

例如，在進行機構形變換創新實驗設計時，并非讓學生直接就實踐如何通過選擇不同的構件作機架來觀察其運動的不同，或者改變運動副的形式來分析運動的特性，而是首先向學生介紹發散思維和收斂思維的概念特點及其應用，機構組成的基本元素，構件運動規律及條件等基本知識，然后讓學生盡可能地運用發散思維找出各種能改變機構運動方式的因素，如選不同構件作機架，改變運動副尺寸和形式，選擇不同構件作為原動件等。并盡可能搭接出所想象的機構進行實驗，觀察其運動是否確定及運動的特點。否則運用收斂思維方式改變其機構的構成要素，促使運動確定，并滿足機構主動件數等于運動自由度的條件，然后測量在機構上自己所關心的點位的運動規律或者受力情況。

5 結束語

實踐證明，機構創新設計實驗，只要有功能較為完善的實驗設備，教學中重視培養學生的創新思維和獨立的實踐動手能力，就能激發學生創新設計及實驗的興趣，并取得良好的實驗效果和提高創新能力培養質量。

[1]百度百科.創新能力[EB/OL].http://baike.baidu.com/view/301641.htm.

[2]曲繼方,安子軍,曲志剛.機構創新原理[M].北京:科技出版社,2001.

[3]張維真.現代思維方法的理論與實踐[M].天津:天津人民出版社,2002.