機械制造基礎課程與創新思維

汪華方+段漢林+陳開鋒+蔡文浩

摘要：創新是民族進步的靈魂，機械制造中也存在著大量的創新經典案例。如果能在本科生教學過程中將這些創新手段灌輸給他們，可以幫助學生提高學習的積極性和自主性，大大提高學生的競爭力。本論文結合機械制造基礎課程的鑄造、鍛壓、焊接等具體工藝內容，探討了教學中涵蓋的十一種典型的創新思維。

關鍵詞：機械制造基礎;本科教學;創新方法

中圖分類號：G642.0 ? ? 文獻標志碼：A ? ? 文章編號：1674-9324（2015）20-0099-02

機械制造基礎是機械專業的一門非常重要的基礎課，講授的內容偏重于從理論上分析常見毛坯零件的制備工藝（鑄造、焊接、鍛壓、塑料成型、粉末冶金等），涉及計算數學、物理化學、金屬學、傳熱學、傳質學和動量傳輸學等多種學科，需要學習的概念及其衍生概念非常多，引用的公式及其推導、演繹過程對學生而言比較難以掌握，因此這門課程常常需要結合日常生活現象和零件制造工藝來理解這些各種概念和材料的基本性質，進而介紹機械制造過程中的“三傳”原理或者塑性變形機理，最后以缺陷為重點，幫助學生掌握預防缺陷的手段和措施。本課程理論性非常強，是培養工程技術人員的必修課程。學好這門課程，不僅有利于提高學生的理論基礎，還能提高他們綜合分析問題和運用知識的能力。機械制造基礎課程內容豐富，蘊含著大量創新性思維。

所謂創新，是指以創造性和市場成功實現為基本特征的周期性技術、經濟活動全過程。創新的類型包括如下幾種：基礎型創新（原始創新），如自然現象規律的新認識、科學理論或學說上的創見、原理或機理的進一步闡明、研究方法或手段的創新、基礎數據的科學積累總結出的規律認識等;復合（集成）型創新，對已有科學技術的新組合、嫁接、移植、推廣;改進型創新（消化吸收改進），對已有科學技術的單一改進或者綜合改進，等等。其具體表現形式為：①新產品、新工藝或新的服務創立與改進;②資源的有效開發和利用;③新技術（包括生產技術與管理技術）的發明和應用。

作為時代精神的內涵，創新對于一個國家的重要性是不容忽視的。習近平總書記指出：“創新是民族進步的靈魂，是一個國家興旺發達的不竭源泉，也是中華民族最深沉的民族稟賦，正所謂‘茍日新，日日新，又日新?！笨萍嫉陌l展、“中國夢”的實現都需要具有創新能力的人才。因此，在機械制造基礎教學過程中，在原理講解的同時介紹其相應的創新方法論屬性，是一種極具挑戰的教學創新模式，能提高學生的學習興趣，改善教學質量。

一、激發創新性的方法及其分類

創新方法有上百種，大致可分為五類。

1.屬性分析法：在羅列已有產品（工藝）各方面的屬性（物理、功能、效能、使用方法、系統結構等）分析這些屬性的作用，思考改變屬性或改變屬性實現方法的各種可能及其效果，從而激發創新構思。

2.需求評估：對產品用戶進行調查，了解用戶的構成及各類用戶對產品的需求，研究不同用戶的需求差異，分析產品存在的問題，進行市場細化，從而激發創新構思。

3.相關分析：分析事物之間的聯系，通過類比、聯想等方法，從而激發創新構思。

4.趨勢分析：對未來人們工作和生活環境進行預測，通過分析可能出現的新需求和新情況，從而激發創新構思。

5.群體創造：為具有不同知識背景的人提供進行交流和思想碰撞的機會和條件。通過相互啟發，集思廣益，從而激發創新構思。

二、機械制造基礎課程教學中的創新思維

1.極端化思維。研究對象在極端條件下的行為，可以為新的機械制造工藝打開思路。例如基于極限真空度的真空鑄造工藝、極限壓力的壓鑄工藝、在極限過冷度條件下的快速冷卻工藝、微重力（超重力）鑄造工藝、電子封裝等，在這些極端條件下的凝固組織非常特別，性能優越，可以滿足大量特殊零件的制備。

2.比擬化思維。即利用已知自然規律對研究對象進行比擬，用常見的具體的事物將抽象的事物具體化。例如采用氯化銨過飽和溶液超聲波振動下的結晶過程模擬半固態超聲波振動凝固，將一種在高溫下很難觀察的凝固行為轉變為比較容易實現的實驗，再進一步分析兩者的差異。

3.逆向思維。逆習慣思維方向而思之，是對司空見慣的似乎已成定論的事物或觀點反過來思考的一種思維方式。人們常常習慣于沿某方向思考問題，如果研究者逆其方向而思之，可能有意想不到的收獲。例如誤差補償、逆向工程等，特別是逆向工程，它可以提高產品相互通用性，彌補原有技術文件丟失，提高正向開發效率，用于學術研究和競爭對手產品分析等，例如2005年Detail Technologies公司為福特汽車公司使用野馬車型（Mustang）老模具逆向重建新模具可以說是逆向工程解決原有技術文件丟失問題的一次成功應用案例。

4.標準化思維。對于復雜事物的認識需要標準化，建立標準化率定數據可以把不同數學模型放在一個平臺上加以比較。零件的標準化、通用化是一直以來所有機械科研工作者孜孜不倦地努力的方向，很多工程師為之奮斗了一生。

5.規模化思維。量變產生質變，許多事物規?；褪莿撔?。例如自由鍛做出的零件質量非常高，但是單件成品較昂貴，而采用了模鍛工藝以后，同一個模具能制備上萬個甚至幾十萬個零件，雖然模具較昂貴，但是總體來看，每個零件的成本卻很低。

6.形態學思維。將事物構成元素按一定規律重組，得到創新思路。例如機械零件加工工藝系統的元素重組過程，將熱處理在機加工前進行，從而產生了預硬化工藝，預硬化就是鋼材在鋼廠出廠前預先進行調質處理，達到模具最終使用硬度要求，模具加工成型后不用再進行熱處理，避免模具變形導致報廢，尤其制造大型模具時更是不能冒這個風險，所以一般都購買預硬化狀態的鋼材。

7.跨學科思維。它涉及跨越學科界限，開辟新的研究領域，處理“現實世界”的問題?？鐚W科的基本立場是，世界及其所有問題既不是也不能根據歷史演進的以及人類創造的學科結構來進行限定。它主張動態、靈活性，推翻舊的假設和思想傾向新學科的創新和成長常常發生在學科交叉點上。例如將易于水華的硅藻群落用來生物再生富含水玻璃的水玻璃舊砂，利用硅藻群落來“生物促溶、降解”附著在舊砂上的殘留水玻璃粘結劑，反應動力來源于太陽光，反應快慢取決于硅藻的增值率，無需耗能較大的擦洗等工藝即可獲得高品位的再生硅砂，其具有低能耗、無二次污染、原位再生、消耗二氧化碳溫室氣體等優點。

8.可持續性思維。把事物放置在環境生態大系統中分析思考，致力于可持續性發展。例如生態型工業鏈的建立，將機械制備工程置于生態系統中，實現余熱、廢氣、廢水、廢渣的綜合利用或者循環利用，給后代人留下一片碧水藍天。

9.動力學思維。動力學思維是一種常用的方法，將其應用于復雜對象的定量動力變化過程就能創造出新的研究成果，比如金屬的蠕變現象。對于一般金屬，蠕變現象只有在高溫條件下才明顯表現出來。但是，某些金屬，如鉛、錫及它們的合金，在常溫條件下，也能表現出蠕變現象。

10.平衡態思維。長期存在的狀態即平衡，如果外因導致平衡破壞，其動力學過程總是向著消除不平衡外因的方向發展。比如鑄件中的氣孔缺陷，本來氣體是比較穩定的存在液態金屬中的，由于冷卻氣體溶解度下降，打破了溶解平衡，析出的氣體來不及溢出而產生了氣孔，從而形成了新的平衡相;在熱處理條件下，氣孔又會處于非平衡態而破壞鑄件。

11.客服偏見原則。大家公認的不能做的事情卻做出來了，就是創新。比如水玻璃鑄造里面有這樣一條原則，水玻璃的摻量大于3%型砂的潰散性能就很差，大家都在遵循這個原則。如果能開發出一種水玻璃產品，其摻量大于3%而且具有很好的潰散性能，則既能保證良好的鑄型強度，又能實現砂型在澆注完畢后的自行潰散，能大大提高水玻璃砂型鑄造工藝的應用范圍。

三、結論

作為機械專業的一門非常重要的基礎課，機械制造基礎是一門能培養學生實踐能力綜合運用知識能力的重要課程。工科專業教育的核心是培養綜合運用各種知識解決工程問題的能力。而傳統教育模式側重于傳授課本知識，學習解題、做題的方法，很少有讓學生去探索新的、未知的知識的。對于機械專業的同學而言，在高中階段已經累積了相當多的理論知識，對常見物理、化學現象有一定的認知，若是能夠在大學課堂中學會一些創新手段，不但能對所學知識有進一步的理解，還能提高思考能力和創造力，對學習和以后的工作都有很大作用;對于教育工作者來說，將創新法則教給學生，加強學生素質教育和創新能力的培養，逐步推進教學改革，是推動社會發展和科學進步的必要之舉。

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