基于創意機械裝置綜合性實踐課程建設

郭 巍， 楊建新， 陳遠洋， 孫聞溪

（清華大學 基礎工業訓練中心， 北京 100084）

0 引言

通過本科教改項目，建設“勞動教育+多學科交叉”的綜合性實踐課程， 滿足國家和學校對綜合性創新人才的培養需求。以創意機械裝置作為項目載體，改變了以往金工實習、機械原理、機械設計等課程之間缺乏交集的傳統教學模式，將這些課程的相關知識有機融合在一起，引導學生自主解決設計、制作過程中出現的問題，增強學生的創新實踐能力。

1 課程建設內容

在教學對象上，以創意機械裝置作為項目載體，鼓勵不同專業背景的學生探索藝術木偶與運動機構融合的可能性，最大限度地培養學生的創造性思維。 在教學實施過程中，既提倡學生使用傳統材料和制造技術，也鼓勵學生嘗試新型材料及數字化制造方法， 鼓勵學生進行廣泛的創新實踐以及跨專業、跨媒介的協作。

基于CDIO 的實踐教學模式，充分發揮學生的主觀能動性，避免冗長枯燥的理論介紹。 在構思階段注重激發學生的藝術靈感和生活樂趣，在設計階段將上層動作表演與下層機構傳動一體化設計的概念傳遞給學生， 在制作階段引導學生注意零件的結構工藝性設計以及如何綜合利用現有的各種加工技術， 在作品運行展示階段綜合采用視頻、海報、網絡等多種宣傳推廣方式。

在課程實施過程中， 根據不同學生的知識和技能水平調整作品成果難度要求，做到因材施教。 對于動手能力強的學生，設定難度系數較高的立體木偶作為表演部件，對于沒有實踐基礎的學生， 采用容易上手的平面木偶引導入門。 通過強調創新性地使用木材制作功能性展示主體，搭配多樣化機械零件構建運功機構，最終實現“木工+機械+藝術”的深度融合。

探索將勞動教育與創新成果相結合的綜合性實踐教學評價機制， 以學生在課程中獲得的各項能力為基本出發點，從不同方面入手評價學生的學習收獲，包括：專業知識與技能水平的提升、主動發現與解決問題的能力、用切實可行的手段將自己的創造性想法付諸實現的能力。

2 創意機械裝置課程實施案例分析

通過創意機械裝置的具體制作流程來進行案例分析，本案例具有學科交叉融合的特點：

2.1 作品的構思與設計

學生在構思自己的automata 作品時， 借鑒了美國動力學雕塑家安東尼豪的設計靈感，見圖1。這種創意風格的作品視覺效果很魔幻，所以他也被人稱為風之魔法師。里約奧運會開幕式上的大型動態藝術裝置就是他的作品之一。 他作品里面那種流動，旋轉的節奏，以及里面所體現出來的自然、科學、和機械美學的結合給學生創造了設計靈感。 學生以此作為設計來源，用自己設計制作的automata 去實現一種獨特，連貫的視覺效果。 流暢絲滑的傳動效果融合精美的異域紋飾， 最終展現對美的追求是學生創作的終極目標。

圖1 安東尼·豪的藝術作品

有了初步設計構想，就要將想要實現的動作通過機構表達出來，在設計傳動裝置的具體細節時，要先為它設計一個傳動裝置。這套裝置能夠實現要表達的絲滑流暢的效果。此時名畫克勞德·莫奈畫的《撐陽傘的女人》，見圖2。女孩在微風中衣裙飄飄的形象給了學生很好的設計靈感， 通過網絡查閱資料選定了波浪機這種成組的凸輪傳動裝置去實現這種裙擺在風中飄動， 上下起伏的狀態，見圖3。

圖2 撐陽傘的女人

圖3 凸輪成組波浪機

2.2 作品的制作與改進

制作過程中首先確定作品傳動部分的連接細節和具體尺寸。 因為波浪機傳動部分以凸輪為主體，需要大量凸輪，且精度要求很高， 所以決定采用激光切割的方式去制作凸輪。 由于最終設計的構想是要實現絲滑流暢的傳動效果，前期需要大量的尺寸計算，由于學生來自不同院系， 草圖構思設計部分不過分強調使用專業制圖軟件繪圖。 凸輪及各傳送零件草圖，見圖4。

圖4 零件尺寸繪制的草圖

確定好草圖尺寸后， 需要確定零件加工制造方法，根據課程目標是讓學生在體驗創意機械裝置全生命周期制造過程的同時， 能夠跨學科了解更多的加工制造方法，根據學生這個創意機械裝置的特點，可以選擇激光或者數控銑加工，由于凸輪及上部表演部件的圓環外形輪廓相對單一，但數量較多，因此選擇激光加工，當然，在這個過程中，強調的是讓學生了解加工制造方法及原理，并不是培養學生單一的學習某種工藝技能。圖5 是根據草圖繪制的電子圖，可以進行激光加工，也可以采用數控進行銑削。

圖5 CAD 零件圖

繪制好圖紙排好版就可以進行激光切割，切割后由于激光高熱會使零件邊緣變黑，所以使用由低到高鉬數的砂紙進行打磨、以呈現最后的展示效果。 激光加工見圖6。

圖6 激光切割表演部分圓環

在所有零件全部打磨好之后就進入了組裝調試階段。這一步要先用雙面膠初步固定，調整好角度再用木工膠水固定。 初步調試見圖7。

圖7 凸輪部分組裝調試效果

凸輪組裝完成后， 將φ2mm 的銅棒鋸割好尺寸插入上固定板中， 因為所有零件尺寸和整個組裝過程都經過了反復測量與精細計算， 所以在組裝完成后基本可以實現順暢的轉動。

圖8 插入剪好的2mm 銅棍，測試小孔和凸輪是否齊

2.3 藝術紋飾結合機械裝置實現最好的表達效果

同學在方案做到這個時候， 發現波浪機這種傳動裝置沒有辦法很好的去模擬裙擺這種過于飄逸和隨機的自然形態，一開始設計的關于表演部分的方案可能行不通。這時需要充分發揮跨學科的相關知識， 用學生相關的專業課內容結合創意裝置對最初的原創設計進行迭代，學生通過幾種預想方案的比對， 決定將傳統紋樣繪制在波浪機的傳動裝置上，利用波浪機獨特的運動狀態，去動態地、立體地呈現一個傳統紋樣的生命力。

在仔細挑選之后， 決定采用澳洲原住民藝術作為表面涂裝的靈感來源，因為在這種藝術形式里，圖案以圓形漩渦紋為主，輔以少量的直線幾何紋飾，和已經制作好的圓環狀的表演裝置很搭。 而且里面出現的蜥蜴，袋鼠，魚之類的動物形體都很簡化， 體現出一種原始生殖崇拜的野性的生命力。 圖9 為澳洲原住民藝術插畫。

圖9 澳洲原住民藝術插畫

學生選擇的澳洲原住民藝術中所有的漩渦都是彩色的點組成的，所以在畫automata 上頂板的時候，用各種各樣直徑的銅棍或木棍沾上丙烯顏料按在板子上， 點完了所有的圖案，這個環節給最后呈現效果注入了靈魂。

至于表演部分的紋樣， 因開始設計時的尺寸誤差導致圓環寬度不夠， 這個缺陷不利于俯視時紋樣的視覺呈現，辦法總比困難多，課程上每一處失敗的教訓最后都將凝聚為寶貴的財富，學生臨危不亂、積極應對將圖案繪制在白紙上， 并將繪有圖案的白色卡紙剪成了比木環稍寬的圓環粘貼在木環上，完成了表演部分的制作。上頂板及俯視呈現效果，見圖10。

圖10 上頂板及俯視紋飾呈現效果

經過前期設計-制造-裝配-調試-涂裝的過程， 最終的作品傳動十分順滑， 視覺效果也讓人感覺到傳統紋樣在呼吸和律動，很神奇。學生對這種從未接觸前所未有的體驗都很驚奇， 也對自己能夠完成體驗產品的全生命周期過程非常滿意。圖11 為作品細節圖及學生設計的產品宣傳海報。

圖11 創意機械裝置細節圖及海報

3 課程建設發揮的作用

創意機械裝置綜合實踐教學課程的建設及運行過程中凝聚實驗室全體實踐指導人員，有目標、有計劃、高質量地完成課程建設任務， 相關課程教學資源服務于工程能力教育、工程素質教育、創新創業教育及科研成果轉化。

在實驗室建設中發揮了幾個方面的重要作用：

（1）為本科生學科交叉融合工程訓練培養開創了新模式。通過課程建設，探索將勞動教育與創新成果相結合的綜合性實踐教學評價機制， 以學生在課程中獲得的各項能力為基本出發點， 從不同方面入手評價學生的學習收獲，包括：專業知識與技能水平的提升、主動發現與解決問題的能力、 用切實可行的手段將自己的創造性想法落實到最后作品上的能力等。 探索跨實驗室融合式工程實踐教學模式， 提高學生主動參與實踐的積極性的同時又提高學生的綜合工程應用能力。

（2）綜合提升實驗室指導人員技術水平，挖掘實驗人員創新能力。跨學科、跨實驗室課程建設為實踐教學創新提供了新的挑戰和機遇， 為提升實驗室指導人員技術水平、挖掘創新能力提供了方向和思路。通過本次教學平臺的建設及課程實施， 實驗室人員的創新能力與實驗技術水平都有了大幅度的提升，具體體現在：人員協調、統籌管理、論文撰寫能力等方面均有顯著提升。本次成果參與教師，在課程建設中，凝練基于CDIO 實踐教學模式，充分發揮學生的主觀能動性，避免冗長枯燥的理論介紹，探索融合創意設計、手工制作、機械加工的綜合性項目實踐教學模式和運行機制， 為培養創新創業型人才奠定了堅實的基礎。

（3）全生命周期沉浸式實踐方式，獲得了良好的教學效果。產品的設計及制造是一個龐大的體系，在平臺教學載體的實施過程中盡可能的將多種生產制造模式進行相互交融，互相融合，從而呈現最好的設計效果，將教學資源合理有效利用、 全生命周期的體驗能夠讓學生獲得系統、全面、實際有效的解決工程領域問題的能力，有助于學生日后繼續深造。

（4）創意機械裝置教學載體市場潛力巨大。創意機械裝置逐漸向藝術設計領域滲透， 其商業價值開發切入點包括且不限于藝術品收藏、 兒童科普科教開發、 玩具設計、家居美陳、主題展覽式場景搭建，讓停留在紙面上的設計變得真實且生動， 這個特點使其具備相當大的引流價值，也為學生創新創業提供新思路。

（5）為科研探究、SRT 項目提供重要的科研基礎條件。教學載體融合多學科、多工種、材料選擇的多樣性引發了學生的創意熱情，為開展SRT 奠定了良好的基礎，創意機械裝置零件的精密加工涵蓋目前國內較為先進的在機檢測技術，為科研探究提供了很好的實驗平臺，通過平臺項目的實施提升了教學隊伍的教學水平及科研能力。

4 結束語

通過完成本次創意機械裝置綜合實踐教學課程建設，有效解決了實踐教學學科交叉、工種融合的重難點問題，推動了實踐教學環節中學科交叉、跨實驗室的有機融合。 使學生系統、全面的對于產品工程制造進行創新式、探索式的學習，使學生具備了合理分析產品設計、制造工藝的能力； 對于項目的具體實施和規劃得到實際演練及應用；對于成本核算、團隊協作及解決實際工程問題有了更深刻的體會。跨學科、跨實驗室融合式工程訓練模式將以往單一模塊小工種實習方式轉變為提升系統工藝知識、創新設計能力、工程管理能力的綜合實踐課程，為培養綜合工程應用能力與工程素養的人才奠定了基礎。