反求設計能力培養及其評價體系的研究與實踐

阮春紅，黃其柏，劉世平，田文峰，朱 洲

（華中科技大學 機械學院，湖北 武漢 430074）

“世界技能組織”（WorldSkills International）于1950年成立，總部設在荷蘭阿姆斯特丹，現有63個國家和地區成員，每2年舉辦一次世界技能大賽（世界技能大賽始于1947年的西班牙，目前涉及40多個工種）。

國家人力資源和社會保障部兩次牽頭組織我國選手參加2011年英國倫敦第41屆世界技能大賽和2013年德國萊比錫第42屆世界技能大賽的部分項目，目前正在備戰2015年巴西圣保羅第43屆世界技能大賽。我國參賽的項目包括機械工程設計－CAD項目，該項目包含4個模塊：機械裝配圖和零件圖、機械制造、挑戰機械加工設計、基于物理模型的逆向工程設計（逆向工程設計也就是反求設計）。機械工程設計－CAD項目要求選手具有堅實的機械工程基礎知識、靈敏的整機裝配意識、極強的設計應變能力和高超的軟件應用技能。這反映了各國對機械工程設計人才技能的目標需求：是具有工程意識的、掌握現代設計和制造方法的創新型人才。

針對這一需求，設計通過對部件實物的反求設計（機器測繪技術是工程師正式入門產品設計的第一個臺階，又稱為反求設計法）來培養學生的工程意識，培養學生掌握現代設計方法的應用能力；通過比較同類產品改進被反求的部件實物，培養學生的創新能力。實施過程中注重設計圖紙的質量（包括精度和精度的可加工性）以及設計表達及模擬的真實性，更注重在學生學習設計和表達的過程中來評價學生的反求設計能力，培養學生成為“中國創造”的CAD高技能創新型人才。

1 反求設計的目的與意義

反求設計就是對已有的產品進行分析和測繪，研究其功能原理、零部件的詳細結構參數、材料、關鍵技術等指標，再根據現代設計和制造的理論與方法進行工程設計。工程設計可劃分為創新設計、適應性設計和變型設計3種類型［1］。適應性設計、變型設計又統稱改進設計，是創新設計的起點。

反求設計的研究目的是加強、鞏固、深化、擴展課堂教學的理論知識，培養學生實踐動手能力及操作能力，進一步提高學生分析問題和解決問題的水平，為培養具有工程意識的、掌握現代設計方法的創新型人才奠定基礎。

模仿設計是最省力的獲取經驗的方法。反求設計（特別是改進設計）可以學習他人的經驗，總結他人的不足，可以為創新設計提供參考和依據。反求設計是現代化工業設計的重要手段［2］，是一個國家發展科學技術及提高工藝水平的重要途徑之一。

反求設計是工程制圖教學中的一個重要環節，是我國高校機械類和近機類專業普遍開設的一門重要實踐課程。

2 反求設計的實施

2.1 學情分析

反求設計是我校工程制圖課中的實驗內容，主要對象是機械類和近機械類專業的大學一年級新生。這些新生對新知識、新技能有強烈的好奇心。他們形象思維比較發達，具有較強的參與意識和創新意識，喜歡動手實踐，但普遍動手能力、工程設計能力不強，面對實際問題無從下手，很困惑。學生在具有創新意識卻無法通過合適的途徑來嘗試創新設計實踐的情況下，不但達不到學生培養創新精神的目的，反而會抑制學生的創新意識［3］。為了保護和激發學生的創新意識，精心選擇反求設計題目尤為重要，并對實踐過程進行教學設計。

2.2 精心選擇反求設計題目進行實施

教學設計是教師對教學如何實施的設計方案，包括學習內容、材料準備、教學過程等［3］。我校大機械類工程制圖課程含2次8學時的測繪實驗，分別是零件測繪實驗、部件拆裝與改進實驗［3］，其中部件拆裝與改進實驗中的裝配體就是教師盡心設計的。

2.2.1 反求設計裝配體的準備

部件拆裝與改進實驗中的裝配體是教師設計的，設計的齒輪泵中還包含兩種螺釘，其中內六角螺釘共12顆，分別連接中間泵體與左、右泵蓋，起連接作用；另一種是啟蓋螺釘，僅4顆，分別裝在左、右泵蓋上，起打開泵蓋的作用，如圖1所示。設計的齒輪泵中包含兩種銷，圓柱銷1連接中間泵體與左、右泵蓋，主要起定位作用，圓柱銷2連接齒輪與軸，起傳遞力和力矩的作用，如圖2所示。

該齒輪泵包含：鍵連接、銷鏈接、螺紋緊固件連接，圖2主要表示中間泵體與左、右泵蓋的定位銷連接，主動齒輪與軸之間的銷鏈接，而皮帶輪與軸之間用鍵連接以及中間泵體與左、右泵蓋的螺釘連接均略去了。

圖1 齒輪泵外觀圖

圖2 齒輪泵改進前局部裝配圖

2.2.2 學習內容

通過教師設計的裝配體，學生學習了零件與部件的關系、零件間的連接與固定方式、零件測繪等傳統知識，容易理解零件在部件中的作用、相同的零件可以發揮不同的作用等抽象知識，更重要的是要引導學生發現問題，并運用反求設計手段解決問題，培養學生的創新設計能力和動手實踐能力。

2.2.3 教學過程

反求設計中要緊緊抓住兩件事。一是在剖析原產品或技術中的“求”，二是在“再設計”中的“改”或“創”［4］。

由于學時較少，第二次測繪開始時，給學生提出思考題：齒輪泵部件中各零件間如何連接與固定，兩種螺釘、兩種銷的作用是什么，左、右泵蓋與中間泵體為什么難拆開等。學生帶著問題進行拆卸齒輪泵，剖析原產品，在齒輪泵中“求”，在此過程中引導學生注意觀察零件之間的裝拆順序、零件之間的連接與固定方式等，可以邊拆邊畫裝配示意圖，學生之間加強合作，有學生拆部件，有學生畫裝配示意圖。

在拆卸過程中，學生很快發現了問題——圖1中的圓柱銷1很難拆下來，圓柱銷1彎曲了（教師有意設計的）。

趁機提出改進設計的題目：針對圓柱銷彎曲變形的情況，如何改進設計或“再設計”？——要求保留部件的功能和大部分零件（教師給出零件圖和零件三維模型）。提出本次測繪的要求，闡述反求設計的理論依據——用局部裝配圖表達；設計出改進后的主要零件的零件圖，并創建在位零部件三維模型［5］，與教師給定的其余零件三維模型組裝成裝配體，不僅提高了設計效率，也可以驗證自己的設計的合理性。

大部分學生提出：減短圓柱銷，將右泵蓋與中間泵體重新設計成一個零件，如圖3所示的右泵體，這又帶來新的問題：銷孔變成了不通孔，如何拆卸圓柱銷？

介紹拔銷器［6］，如圖4所示。將GB/T119.2圓柱銷改為GB/T120.2內螺紋圓柱銷即可［7］。可以看出：齒輪泵的拆裝與改進實驗就是教師盡心設計的。

3 建立反求設計評價體系

反求設計能力培養是實踐性環節，在此過程中，重在培養學生的動手能力和運用知識能力，培養學生由被動學習轉為主動學習，養成良好的工程意識和創新意識。建立由教師單一評價轉化為教師、學生共同評價的綜合評價體系。具體見表1。

圖3 齒輪泵改進后局部裝配圖

圖4 拔銷器

表1 反求設計評分標準［8－12］

實驗分小組進行，每組6人，同組學生根據評分標準，交叉進行批改評分。同時在實驗課堂，每位學生可以得到一張便簽貼，一面簽自己的姓名，一面自己寫課堂表現：提了什么問題與師生探討？回答了同伴的什么問題？教師根據收上來的情況給予附加分，極大地調動了學生的參與度。

4 結束語

反求設計題目——齒輪泵的拆裝與改進實驗難度適中，與世界技能大賽機械工程設計——CAD項目的部分要求不謀而合，能引導學生全面理解創新的含義，消除了創新的神秘感。創新能力的培養是要逐漸積累的，不是所有的設計都要重新開始，一點點的改進就是創新，甚至就是重大革新。反求設計者需要具備較高的理論素養和較豐富的實際經驗［10］，因此在進行教學設計時要注重理論聯系實踐。

在工程制圖課程中設計反求設計實驗，這一舉措在我校實施了多年，充分發揮了學生的主體作用，讓學生在實踐操作中去理解知識、發展能力，在實踐中培養學生的創新意識。反求設計實驗是我校國家級精品資源共享課“畫法幾何及機械制圖”的特色之一。

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［1］周勇.充分運用反求設計手段著重培養創新設計能力［J］.實驗技術與管理，2002，19（5）：5－7.

［2］吳華杰，杜玉明，國永紅.實物反求設計中尺寸精度的控制［J］.機械設計，2001（2）：15－17.

［3］阮春紅，黃其柏，劉世平，等.實踐教學設計，提高教學質量［J］.圖學學報，2013（增刊）：184－186.

［4］侯維芝，祁翠琴.反求設計與創新技術［J］.機電一體化，2004（3）：11－14.

［5］許睦旬，鄭鎂，肖堯。Inventor 2009三維機械設計應用基礎［M］.北京：高等教育出版社，2009.

［6］阮春紅，何建英，李喜秋，等.三維機械構形設計：工程制圖提高篇［M］.武漢：華中科技大學出版社，2008.

［7］GB/T 120.2—2000內螺紋圓柱銷［S］.北京：中國標準出 版社，2000.

［8］方亦元，王炳德.機械設備測繪基礎［M］.沈陽：東北大學出版社，2008.

［9］李智勇，謝玉蓮.機械裝配技術基礎［M］.北京：科學出版社，2008.

［10］郭佳萍，于穎，張繼媛.機械拆裝與測繪［M］.北京：機械工業出版社，2008.

［11］黃其柏，阮春紅，何建英，等.畫法幾何及機械制圖［M］.5版.武漢：華中科技大學出版社，2012.

［12］邢淵.制造領域中反求設計方法及其應用研究［J］.中國機械工程，2001，12（4）：416－419.