機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)的教學(xué)方法探索

吳群彪方海峰申 燚李榮敏

1.江蘇科技大學(xué) 江蘇張家港 215600 2.蘇州理工學(xué)院 江蘇張家港 215600

機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)的教學(xué)方法探索

吳群彪1,2方海峰1,2申 燚1,2李榮敏1,2

1.江蘇科技大學(xué) 江蘇張家港 215600 2.蘇州理工學(xué)院 江蘇張家港 215600

為了進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力，開(kāi)展了對(duì)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程的教學(xué)方法的探索。采用了討論式教學(xué)、游戲教學(xué)法、理論與實(shí)訓(xùn)教學(xué)相結(jié)合、專(zhuān)利撰寫(xiě)作業(yè)、結(jié)合創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽命題等手段。實(shí)踐結(jié)果表明：通過(guò)以上方法，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，加深了學(xué)生對(duì)創(chuàng)新技法的理解和掌握，提高了學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力。

創(chuàng)新；討論式教學(xué)；游戲教學(xué)法

創(chuàng)新是一個(gè)民族進(jìn)步的靈魂，是國(guó)家興旺發(fā)達(dá)的不竭動(dòng)力。對(duì)于發(fā)達(dá)國(guó)家來(lái)說(shuō)，技術(shù)創(chuàng)新對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的貢獻(xiàn)率已達(dá)到60%～80%[1]。盡管我國(guó)已經(jīng)成為世界第二經(jīng)濟(jì)體，近年來(lái)創(chuàng)新能力提高很快，創(chuàng)新成果也很豐富，但與世界發(fā)達(dá)國(guó)家的差距還很大，在高科技領(lǐng)域中，很多關(guān)鍵技術(shù)還要受制于人。所以，作為知識(shí)傳播系統(tǒng)核心單位的高等學(xué)校，開(kāi)展創(chuàng)新教育已經(jīng)是勢(shì)在必行[2]。

機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)這門(mén)課程作為機(jī)械原理與機(jī)械設(shè)計(jì)等專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程的后續(xù)課程，旨在激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和提高學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和工程實(shí)踐能力，能讓學(xué)生將機(jī)械原理和機(jī)械設(shè)計(jì)等課程學(xué)習(xí)到的理論知識(shí)結(jié)合各種創(chuàng)新思維技法進(jìn)行學(xué)以致用，此課程在教學(xué)中是十分重要的[3]。此課程是我校機(jī)械制造設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)選修課，雖然此門(mén)課程在我們校區(qū)開(kāi)設(shè)的時(shí)間還不是很長(zhǎng)，但是本課題組通過(guò)積極學(xué)習(xí)其他學(xué)校的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合我們校區(qū)的實(shí)際情況，對(duì)此課程的教學(xué)方法和實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行了許多研討，開(kāi)設(shè)了32學(xué)時(shí)的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程，并配備了1周的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)，使理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐操作相結(jié)合，通過(guò)幾年的課程教學(xué)實(shí)踐，我們獲得了一些關(guān)于機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)。

1 變被動(dòng)為主動(dòng) 進(jìn)行討論式教學(xué)

剛開(kāi)始按照傳統(tǒng)教學(xué)模式教授此門(mén)課程時(shí)，直接給學(xué)生灌輸各種創(chuàng)新思維、創(chuàng)新技法，雖然上課過(guò)程中結(jié)合了一些經(jīng)典案例進(jìn)行教學(xué)，在類(lèi)似仿生創(chuàng)新授課中也給學(xué)生播放了一些仿生機(jī)械的動(dòng)畫(huà)，學(xué)生雖然聽(tīng)案例和看動(dòng)畫(huà)都很入神，但是大部分學(xué)生都只是被動(dòng)地聽(tīng)講，沒(méi)有積極主動(dòng)地進(jìn)行對(duì)相關(guān)案例的思考，沒(méi)有分析案例和動(dòng)畫(huà)中包含了哪些創(chuàng)新原理和創(chuàng)新技法，沒(méi)有主動(dòng)思考創(chuàng)新原理如何運(yùn)用到實(shí)踐中。這是傳統(tǒng)教學(xué)模式存在的普遍弊端。

隨著教學(xué)的深入，逐漸接觸到了一些思維方式的創(chuàng)新方法，如群體集智法。群體集智法是指集中群體智慧，并激勵(lì)思維，進(jìn)行創(chuàng)新。此技法是一種群體操作型的創(chuàng)新技法。群體集智法常采用的具體實(shí)施方式有：會(huì)議式、書(shū)面式、卡片式[2]。

群體集智法能夠很好地激發(fā)創(chuàng)新思維，可以采用這種創(chuàng)新技法融入機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程的授課中，使學(xué)生主動(dòng)地參與到創(chuàng)新思維中，而不再是被動(dòng)地接受知識(shí)的灌輸，變被動(dòng)式學(xué)習(xí)為主動(dòng)式學(xué)習(xí)。當(dāng)學(xué)生在學(xué)習(xí)了一些創(chuàng)新原理后，可以給定一個(gè)合適的命題，進(jìn)行這樣采用群體集智法的討論式教學(xué)，能夠讓學(xué)生參與到創(chuàng)新中，更好地理解創(chuàng)新原理的本質(zhì)和更好地掌握這些創(chuàng)新原理的運(yùn)用，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高創(chuàng)新能力。

在近幾年的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程授課過(guò)程中，采用了這樣的討論式教學(xué)。例如，在進(jìn)行發(fā)散式思維方式這一內(nèi)容教學(xué)時(shí)，就組織學(xué)生采用了書(shū)面集智法進(jìn)行了關(guān)于“如何分理1元、五角和一角的硬幣”這一命題的討論，學(xué)生提出了許多種解決方式，如從質(zhì)量角度考慮，采用慣性篩、斜面滑落等措施；從直徑角度考慮，采用不同直徑的孔分離；從密度角度考慮，采用油液控制，根據(jù)沉浮高度不同來(lái)區(qū)分；從顏色角度考慮，采用激光掃描儀進(jìn)行掃描等措施。從課堂效果和課后與學(xué)生的交流反饋來(lái)看，學(xué)生通過(guò)這樣主動(dòng)地參與創(chuàng)新設(shè)計(jì)的思考，更好地理解和掌握了發(fā)散思維和書(shū)面集智法等創(chuàng)新技法，而且培養(yǎng)了創(chuàng)新思維能力。

2 游戲引出創(chuàng)新方法 提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

美國(guó)心理學(xué)家布魯納說(shuō)：最好的學(xué)習(xí)動(dòng)力莫過(guò)于學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)有內(nèi)在興趣，而最能激發(fā)學(xué)生這種內(nèi)在興趣的莫過(guò)于游戲。與發(fā)達(dá)國(guó)家學(xué)校的那種寬松活潑的課堂氣氛相比，我們的課堂存在著一些明顯的缺陷，如刻板枯燥，即便是非常有趣的課堂，學(xué)生在集中精力聽(tīng)了15～20分鐘以后也會(huì)漸漸讓失去注意力。學(xué)生如果覺(jué)得課堂內(nèi)容枯燥乏味，就會(huì)感到拘束緊張，提不起精神，就可能產(chǎn)生一些厭學(xué)情緒[4]。這些問(wèn)題在我們大學(xué)課堂的授課中尤為嚴(yán)重。

教師授課過(guò)程中如何充分調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和積極性，最大限度地挖掘?qū)W生的學(xué)習(xí)潛力，是目前教師授課過(guò)程中的一個(gè)難點(diǎn)。在近幾年機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程授課過(guò)程中，采用了一些游戲教學(xué)法，取得了不錯(cuò)的教學(xué)效果。

第一，可以通過(guò)有趣的游戲?qū)胝n程的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生在剛開(kāi)始上課時(shí)就處于愉悅的氣氛中，使學(xué)生一開(kāi)始就進(jìn)入最佳的學(xué)習(xí)狀態(tài)。在講授逆反創(chuàng)新這一創(chuàng)新技法時(shí)，剛開(kāi)始上課時(shí)和學(xué)生玩一下猜謎語(yǔ)游戲。例如“必須生產(chǎn)出正品，打一成語(yǔ)”，“根、莖、葉，打一水果”等[5]，這些謎語(yǔ)都是從逆向思維的角度得到答案，謎底分別是“不可造次”和“無(wú)花果”。學(xué)生從猜謎游戲中先引入反向思維這一概念，在接下來(lái)逆反創(chuàng)新課程講解時(shí)，能更好地理解和掌握這一創(chuàng)新技法。

第二，可以通過(guò)游戲培養(yǎng)學(xué)生的發(fā)散思維，可以在課上組織學(xué)生通過(guò)游戲來(lái)進(jìn)行一些生活中常見(jiàn)物品的發(fā)散思維訓(xùn)練。例如，在PPT上放一個(gè)啤酒瓶或訂書(shū)釘?shù)膱D片，組織學(xué)生回答這些常見(jiàn)物品的使用功能，可以進(jìn)行個(gè)別提示后，讓學(xué)生發(fā)揮想象力，自由暢想，回答出這些常見(jiàn)物品的基本使用功能外的具備的其他功能，充分鍛煉學(xué)生的發(fā)散思維。

第三，教師還可以將整個(gè)課堂設(shè)計(jì)為不同的辯論場(chǎng)，把課堂內(nèi)容的授課變?yōu)閷W(xué)生間的相互辯論，讓他們?cè)谶@些表現(xiàn)舞臺(tái)上盡情施展自己閃光的一面。例如在講到《思維定勢(shì)》這一章節(jié)時(shí)，可以提前給學(xué)生布置好任務(wù)，組織學(xué)生在課堂上進(jìn)行一些思維定勢(shì)的正反雙方辯論。通過(guò)自身的參與，提高學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解和掌握。

3 結(jié)合實(shí)訓(xùn)教學(xué) 參與創(chuàng)新實(shí)踐

單純地理論教學(xué)，學(xué)生只能了解到這些創(chuàng)新技法，只有參與實(shí)踐，將所學(xué)知識(shí)通過(guò)實(shí)際操作加以運(yùn)用，才能更好地理解和掌握課堂上教授的創(chuàng)新技法。為此我校區(qū)在開(kāi)設(shè)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論課程時(shí)，配有該課程的1周實(shí)訓(xùn)課程，讓學(xué)生能將學(xué)習(xí)到的創(chuàng)新原理能夠運(yùn)用到實(shí)際設(shè)計(jì)中，學(xué)以致用，更好地理解和掌握這些創(chuàng)新技法。

為了便于機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)課程的展開(kāi)，本校區(qū)購(gòu)買(mǎi)了一系列機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，如空間機(jī)構(gòu)創(chuàng)意組合及動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)、空間機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)拼裝及仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)(如圖1所示)、平面機(jī)構(gòu)創(chuàng)意組合測(cè)試分析及仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)等。這些設(shè)備不僅可以讓學(xué)生將所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行實(shí)物搭建，而且配備有相關(guān)的仿真軟件，可以通過(guò)虛擬仿真先進(jìn)行模擬搭建，驗(yàn)證設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的合理性。

在機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)理論課程中，先給學(xué)生布置些機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)的題目，如糕點(diǎn)切片機(jī)、花生紅衣脫皮機(jī)、草坪剪草機(jī)等命題，或者也可讓學(xué)生自由命題，在學(xué)習(xí)理論課程的過(guò)程中，運(yùn)用學(xué)習(xí)的創(chuàng)新技法對(duì)這些命題機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械方案設(shè)計(jì)，確定好采用的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，繪制出運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖，設(shè)計(jì)好基本的結(jié)構(gòu)尺寸。完成以上任務(wù)后，就可以去實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行軟件仿真模擬和實(shí)物搭建，驗(yàn)證方案設(shè)計(jì)的合理性。

實(shí)訓(xùn)期間實(shí)驗(yàn)室采用開(kāi)放的管理模式，學(xué)生可以

集中時(shí)間段進(jìn)行機(jī)構(gòu)的實(shí)物搭建，根據(jù)實(shí)際搭建結(jié)果驗(yàn)證和改進(jìn)所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)方案，從而得到優(yōu)化的設(shè)計(jì)結(jié)果。

圖1 空間機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)拼裝及仿真實(shí)驗(yàn)臺(tái)

通過(guò)這樣理論結(jié)合實(shí)訓(xùn)課程的開(kāi)展，學(xué)生更深刻地理解和掌握了學(xué)習(xí)到的各種創(chuàng)新技法，更好地培養(yǎng)和提高了學(xué)生的創(chuàng)新能力。

4 布置專(zhuān)利撰寫(xiě)作業(yè) 激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新靈感

專(zhuān)利是最能體現(xiàn)創(chuàng)新成果的一種文件形式。在授課過(guò)程中，開(kāi)展了一堂關(guān)于專(zhuān)利撰寫(xiě)方面的講課。通過(guò)幾個(gè)事例論述了專(zhuān)利的作用和申請(qǐng)專(zhuān)利的原因，講述了專(zhuān)利的類(lèi)型和屬性，最后結(jié)合實(shí)例講述了申請(qǐng)專(zhuān)利所需的文件和步驟，讓學(xué)生對(duì)撰寫(xiě)專(zhuān)利有初步的認(rèn)識(shí)。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)械創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)的命題，給學(xué)生布置了專(zhuān)利撰寫(xiě)作業(yè)，通過(guò)讓學(xué)生參與專(zhuān)利的撰寫(xiě)，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新靈感，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和對(duì)創(chuàng)新成果的保護(hù)能力。

在近幾年授課中，學(xué)生通過(guò)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程的學(xué)習(xí)，提高了創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，撰寫(xiě)了一些實(shí)用新型和發(fā)明專(zhuān)利，如一種四段式輪履結(jié)合智能越障機(jī)器人、船體附生物清理機(jī)構(gòu)以及船體附生物自動(dòng)清理設(shè)備、一種船體附著物柔性清掃裝置等。

5 結(jié)合機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽命題

全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽是由教育部高等教育司舉辦的一項(xiàng)全國(guó)大學(xué)生重要科技競(jìng)賽活動(dòng)。參加該活動(dòng)能夠培養(yǎng)大學(xué)生工程實(shí)踐素質(zhì)，增強(qiáng)學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新思維和機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)綜合能力，提高學(xué)生針對(duì)實(shí)際需求進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)和實(shí)物制作的實(shí)踐工作能力[6,7]。

基于此，在本門(mén)課程的授課過(guò)程中結(jié)合過(guò)去機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽的優(yōu)秀作品進(jìn)行理論課程的學(xué)習(xí)，例如在講授組合創(chuàng)新這一創(chuàng)新技法時(shí)，結(jié)合第一屆全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽中獲得一等獎(jiǎng)的作品多功能齒動(dòng)平口鉗的案例來(lái)進(jìn)行論述，使學(xué)生更好理解組合創(chuàng)新的同時(shí)，了解機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽的獲獎(jiǎng)作品的創(chuàng)新本質(zhì)。在布置實(shí)訓(xùn)任務(wù)時(shí)，結(jié)合機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽的一些命題來(lái)布置，既鍛煉了學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，又為機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽做一些準(zhǔn)備。例如在上學(xué)期的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)中，就以第六屆機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽中的錢(qián)幣分理裝置、包裝機(jī)械、運(yùn)輸助力機(jī)械等進(jìn)行了命題，一些學(xué)生設(shè)計(jì)了一些不錯(cuò)的作品，并參加了剛結(jié)束的江蘇省機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽，獲得了不錯(cuò)的成績(jī)，如圖2所示的自動(dòng)錢(qián)幣分理機(jī)。

圖2 自動(dòng)錢(qián)幣分理機(jī)

6 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)作為一門(mén)創(chuàng)新設(shè)計(jì)類(lèi)課程，對(duì)于機(jī)械專(zhuān)業(yè)學(xué)生的創(chuàng)新能力的培養(yǎng)是非常重要的。近幾年的教學(xué)中，本課題組積累了一些教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，采用討論式教學(xué)、游戲教學(xué)、實(shí)訓(xùn)教學(xué)等手段相結(jié)合，激發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高了學(xué)生對(duì)創(chuàng)新技法的理解和掌握，增強(qiáng)了學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)的能力。

[1] 陳長(zhǎng)生,周純江.機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)訓(xùn)教程[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2013.

[2] 張春林.機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)二[M].第2版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[3] 孟飛,劉平安.機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程教學(xué)實(shí)踐與體會(huì)[J].吉林省教育學(xué)院學(xué)報(bào),2010,26(4):138-139.

[4] 周英瑛.課堂游戲,寓教于娛:淺談大學(xué)英語(yǔ)的游戲教學(xué)[J].考試周刊,2009(14):125-126.

[5] 溫兆麟.創(chuàng)新思維與機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

[6] 楊叔子,彭文生,吳昌林.再論機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽很重要:紀(jì)念中共中央, 國(guó)務(wù)院《關(guān)于深化教育改革全面推進(jìn)素質(zhì)教育的決定》頒布十周年[J].高等工程教育研究,2009(5):5-10.

[7] 崔秀梅,張亞斌,高華鎣.參加機(jī)械設(shè)計(jì)大賽培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力[J].科教文匯,2013(3):71,74.

Exploration on Teaching Methods of Mechanical Creative Design

Wu Qunbiao1,2, Fang Haifeng1,2, Shen Yi1,2, Li Rongmin1,2
1. Jiangsu University of Science and Technology, Zhangjiagang, 215600, China 2. Suzhou Institute of Technology, Zhangjiagang, 215600, China

To further stimulate students’ innovative thinking and improve students’ creative design ability, the exploration on teaching methods of mechanical creative design was performed. The methods of discussion teaching, game teaching method, combination of theory and practice teaching, patent writing homework and proposition based on mechanical innovation design competition were adopted. Practice results shows that through the above methods, the students' learning enthusiasm was improved, the understanding and mastering of innovative techniques was deepened, the students' ability to innovate and design was enhanced.

creative design; discussion teaching; game teaching method

2016-05-26

吳群彪，博士，講師。

江蘇科技大學(xué)蘇州理工學(xué)院教學(xué)改革研究課題《機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程的教學(xué)方法探索》。