以本科畢業設計指導提升學生創新能力研究

摘要：本科畢業設計活動是地方應用型高校教育必不可少的教學單元。畢業設計的創意含量是考核其作品質量的依據之一。如何發揮畢業設計內容廣泛、方式方法豐富、實施機動靈活、師生互動的優勢，指導學生在設計中保持適應性、執著性、開發性、多變性，順利實現知識遷移，衍生出更多更好的知識、技能？本文以淮陰工學院機械與材料工程學院本科生的畢業設計為背景，闡述指導學生畢業設計的創新要旨，在創新方面的著力點，明確調動學生畢業設計創新的積極因素，從而給出了具有一定參考價值的答案。

關鍵詞：本科畢業設計；創新能力；過程裝備

淮陰工學院機械與材料工程學院現有機械設計制造及其自動化、機械電子工程、金屬材料工程、機器人工程和過程裝備及控制工程（3+2）五個專業。為了確保實現提高學生創新能力的教學目標，學院投入一定的師資力量、時間和精力，指導即將畢業的學生進行這一特殊形式的教學實踐活動。

1指導學生本科畢業設計的要旨

把創新貫穿于學生畢業設計的全過程，形成從知識到創新的循環，是提升學生創新能力的必由之路。大學生參與本科畢業設計活動的本質是進行新的嘗試，激發學生科研創新的活力。目前機械行業轉型升級提速、大量新技術應運而生，附著了許多需要配套解決的矛盾、疑難問題。本科畢業設計課題向解決工業生產第一線產品開發、技術改造傾斜勢在必行。學院盡量選取適合教學內容又貼近生產的項目，把生產企業某些待開發項目分解為一個個單獨部分作為學生設計課題，把研究項目孵化為企業生產流水線直接的或間接的實物或技術[1]。指導學生從畢業設計中接受許多課堂上沒有學到的知識和新鮮信息，接觸到許多與現時生產相聯系的事項，遭遇許多偶然的、個別的現象，切身體驗應用型項目的實在性、生動性、趣味性。學生處于主動、積極、緊張的精神狀態，確立了“一切皆有可能”的意念，觀察事物有新角度，動手操作有新點子，所學知識形成新能量，努力跨越各種技術上的溝壑，高效率地完成設計任務。

2指導學生畢業設計在創新方面下功夫

2.1啟迪學生發現問題

創新可以是對原有物品、方法進行發展和改造，在舊物體上增加、減少、更替部分零部件或在舊方法上調整某些順序、要領或手段，賦予其新的屬性。在畢業設計中創新，要善于以敏銳的眼光仔細觀察舊物體、舊方法，找到其缺點，然后以此為切入點“對癥下藥”。毫不夸張地說，發現問題比處理問題更重要、更難。例如：研究射流引風機的能耗課題[2]。建議學生了解市面上流行的同類產品的技術信息，以懷疑、批判的眼光對網上反映的射流引風機的情況進行比較考證。學生照辦以后，感到要想結構合理，不如選取效率最高的R+S型風機結構，要想風機葉輪運行效率最佳，不如選取LS葉型，要想提升風機效率，不如選取擴散型擴散筒；在風機位置上，近壁射流因有后壁阻礙了風機吸風而使其效率低于自由射流，風機工作時的俯仰狀態不調節到最佳角度，以及風機與風場的距離太遠都可能會消耗能源，從而制訂趨利避害的設計方案。又例如：模擬水力旋流器非牛頓流場課題[3]。指導教師首肯學生在調研中發現：許多研究人員對水力旋流器研究局限于清水介質（牛頓流體），形成了水力旋流器應用于高粘度介質（非牛頓流體）分離作業的瓶頸。要求學生籍此建立三維立體模型，模擬不同介質黏性及流變性對流場的影響，為進一步研發適用于各種復雜工況的水力旋流器結構提供依據。

2.2策動學生解決問題

以發散性思維尋找事物的關鍵因素，梳理、整合相關關系，解除各種糾葛、死結，達到某一目的。因為學生畢業設計屬于務虛創作，即使設計錯了也不會有很多實物損耗，所以倡導學生把創新擺在第一位，在設計中標新立異，彰顯個性、特色。例如：板式換熱器熱力設計課題。在選擇材料上，指導教師提示學生，教材上介紹的選擇方法，與預設條件不一定匹配，要在彼此數量關系上找到計算轉換點。學生基于板片是換熱器最重要的傳熱單元，在材料初溫、終溫、壓力等約束條件下，根據加熱側和不加熱側材料的雷諾數（Re）和努塞爾數（Nu）計算，選定了厚度為0.7mm壓縮成人字形波形的不銹鋼板。板式換熱器中通常采用固-水換熱方法，學生則在文獻中看到、并決定在設計中采用水-煤油方法換熱。指導教師支持學生自加難度，同時提出上述設計合理與否，要進行驗證。學生為此測算了所設計項目的對流換熱系數、總熱交換系數、壓降、兩相流阻力以及換熱量，以計算結果予以證實。制作換熱器整體三維模型，指導教師以“在實體的集合上部分之和等于整體”的說法引導學生，學生采用“化零為整”的設計思路，分別制作了各種零件的模型，組裝成板式結構、連接法蘭、板換等部件模型，最后將其再綜合組裝成預先設定的整體模型。又例如：葉片泵水力設計課題。指導教師跟蹤學生的設計進度，不斷激發學生的想象力、聯想力。學生充分了解泵的分類、工作原理與基本結構，遵循給定的設計物理量參數，計算軸流泵的主要水力部件葉輪的流量、揚程、功率（效率）、轉速、汽蝕余量等參數和導葉的開度、頻率等參數，計算泵運行時體內液體的位能、動能、壓能指標，進而設計出液體從泵的吸水池經過過流部件輸送到預定高度又在額定壓力范圍內的泵的內在品質與外觀形態。

2.3強化學生分析能力

有些學生的畢業設計項目是建立某一設備模型、機械動態模型或流程模型，對其運行指標體系進行分析。在研究過程中，指導教師要善于讓學生揚長避短，運用抽象思維和邏輯思維方法，孕育、探索新的可能性的思路，使關聯部分有機聚合和勾稽，取得精確數據及其仿真云圖，用以解釋特定的物理現象。例如：研究肋片能質傳遞效率課題。學生根據能量守恒定律推導微元體的導熱微分方程及其傳熱效率的理論解，針對已知鋁質矩形直肋長度、寬度、高度的幾何參數，計算其端部溫度、肋片的熱效率、肋端熱通量，分析其對能質傳遞效率的影響，指導教師逐項評估學生分析得如何，指出未到位、未透徹之處，使其補救加工。學生結合ANSYS仿真軟件熱力學模塊協同運行，在表面流體換熱系數不變的環境下建立三種不同幾何參數的矩形肋片模型，形成三種不同情況下肋根與肋端的溫度對比圖、整體溫度分布云圖以及熱通量分布云圖。指導教師審視學生檢查比對，理論計算和數字仿真兩種不同的方法下得到的結果，如果誤差在可接受的范圍內則判斷計算結果基本正確。又例如：球罐安全生產設計課題。學生將stp模型導入到ANSYS有限元仿真實驗方法軟件。指導教師提出模擬球罐在靜載荷、風載荷、靜載荷與風載荷疊加、地震載荷作用下的受力情況。學生遵囑實施，分別得到其位移云圖、應變云圖、Mises應力云圖以及球罐結構的最大應力、應變、位移、變形等數值，通過設計參數和實際運行參數比對，分析球罐整體和主要部件材料強度是否符合標準，材料的變形是否在允許的范圍內，判斷球罐性能如何、連接結構是否合理、縫隙焊接質量是否可靠，對于揭露的風險點、危險點，由學生斟酌給出合理的建議或對策。

2.4提高學生理性認識

做好畢業設計僅僅是學生完成了該項目一半的作業量，更重要的部分是由設計人撰寫畢業設計說明書（論文），把感性認識上升到理性認識的高度。指導教師指導學生畢業設計和撰寫論文，要使兩者并駕齊驅，不可偏頗。由于學生第一次撰寫篇幅長、內容多、格式規范、質量要求高的文字材料，指導教師要把輔導工作做得扎實一點、細一點。例如：板式換熱器熱力設計及研究課題。指導教師要審查學生擬寫的提綱，只要框架（論文體系）搭好了，論文就可以沿著思緒寫下去。框架可以有緒論；板片式換熱器的基本構造；板片式換熱器的性能特點；板片式換熱器熱力設計及其計算；結構設計及強度校核；板片式換熱器的結構模型設計；結論。論文采納素材的形式可以多樣，如文字闡述、公式、表格、簡圖、模型結構圖、坐標曲線圖、攝影、圖畫等，以便全面地透徹地說明問題。要求學生在論文中突出自己主攻的一、二個科技因子，充分體現本人獨特的見解和項目的創新點。倡導學生完成每一階段的設計后，總結其研究心得，撰寫其文字材料，達到理論和實踐信息快速互通互動；也可以按照自己的思維習慣先做設計，再寫論文，或者先寫論文，再做設計。

2.5完善學生知性思維

學生依賴于普通形式邏輯的思維規則所進行的知性思維，將學習悟性、實踐靈性和創造理性結合起來，制作出令人滿意的畢業設計成果。邏輯思維稍不嚴謹，畢業設計就會出現瑕疵。即使學生的邏輯思維沒有問題，但是好的邏輯思維是無止境的，所以要不斷追求更高級、更完美的邏輯思維。在畢業設計活動的論文答辯階段，知識淵博、老成歷練的答辯組教師同學生面對面討論設計課題，學生的知性思維更加縝密、活躍，能夠較好地看到畢業設計項目的價值，找出課題研究中存在的問題，感覺到自己暫時想不到的原因。例如：研究射流引風機的能耗課題[3]。學生覺得射流引風機的俯仰角對其能耗影響很大，在設計中分別增加了0°、5°、10°、15°、20°俯仰角度的設置和模擬。教師提議，可以嘗試做更多角度的模擬，隨機增大角度，或者隨機縮小角度，模擬結果能耗降低是正值，能耗上升是負值；也可以做大幅的密集的樣本調查，把每一次的模擬記錄下來，當數據出現駝峰曲線的時候，說明存在一個最高點，這個最高點附近范圍就是最佳俯仰角度的工況。又例如：研究肋片能質傳遞效率課題。學生針對肋片這一具體研究對象，依據教材知識推導出了其直角坐標系下的導熱微分方程。教師看到學生對數理知識的鉆勁不錯，建議他深入研究：假設一維坐標系，在給定肋根和肋端的邊界條件下，可以對導熱微分方程進行近似簡化，計算得出包含變參量（由形狀長寬比及材料導熱率決定）的理論解析解，繪制理論解析圖表；再進一步向更高層次沖擊，在教材編印、教學上只講解了一維模型的基礎上，推導肋片二維理論的理論解析公式，設計平面的ANSYS模擬實驗。

3調動學生畢業創新設計的積極因素

3.1學生自身積累知識的爆發力

學生關鍵時刻能否早一點、多一些發現問題，解決問題有多大的勝算，取決于平時積累多少知識。早在畢業設計之前，教師就告訴學生牛頓關于“站在巨人肩膀上”的至理名言，激勵學生發揚蜜蜂采花和燕子壘窩的勤奮精神，除了學好必修和選修學科的基礎知識和專業知識外，還要經常翻閱課外讀物、加強相關信息交流和收集各種資料。隨著日積月累，形成一個有相當容量的知識“蓄水池”。那么畢業設計時所需用的知識學生可以信手拈來，針對性地理解及運用知識，將新意圖演化為畢業設計的主體。萌生出一個主意，又接二連三萌生出別的主意，就能優中選優。一旦方案實施夭折，立刻就有備用方案替補。總而言之，學生應知盡知、應會盡會，就能應享盡享，何愁不能取得優異的成績？

3.2教師團隊開展教學工作的契合力

畢業設計項目必然是不同學科領域知識的匯集。學生的畢業設計不僅與指導教師的輔導有關，而且與所有任課教師的教學有關。歷任教師的授課無形之中構成了教學鏈，學生的畢業設計成果凝聚了所有教師的大局意識、服務精神、協作精神和含辛茹苦教學的付出。教師教學要同心協力，在一切教學活動中授予學生“漁”、“羅盤”，讓他們學會觀察、解決本專業實際問題的方法，在知識上、能力上和創造性上大幅長進。雖然不同學科教師的教學資源各有天地，但是教學原則、策略、形態、方案等都恪守共同約定，實現深度的教學融合。大家在教學中不分彼此或不必界限太清，就某些問題與學生與畢業設計聯系起來，為學生開展畢業設計早做思想、學術和實踐準備。在學生進行畢業設計過程中，遇到涉及某學科知識問題求教，任教教師不拘泥于職責權限，滿腔熱忱地解答學生專項咨詢。

3.3參與科創競賽對學生的影響力

每年教育系統都會安排高校本科一至三年級的學生開展各種類型的機械類科創競賽。因為國賽都是從校賽、市賽、省賽選拔的，所以有一定的覆蓋面。學生在動手動腦之際，進行工具性學習、轉化性學習、溝通性學習，完成了知識交叉與融會貫通的認知建構，能夠擺脫書本知識的束縛，緊跟代表某科技領域發展趨勢，將學科前沿的新觀念、新方法付諸實踐。在競賽現場，與競賽對手進行知識與知識的較量，智力與智力的比拼，迸發了強烈的創新欲望和創新潛能，產生的靈感比平時的要好得多；與競賽對手互動，觀摩、切磋、分享他們的經驗，從他物、他人技巧中獲得深刻的感化，并察覺、糾正自己的薄弱環節。親身經歷競賽的學生提高了學術自信，吸收了大量、生動的設計資源，為在未來畢業設計中超常發揮奠定基礎。還可以在參賽項目中挖掘課題，進行再加工、再創新、再發展，使畢業設計成果更加卓越。

結語

以科學研究的方式組織學生的畢業設計活動，堅持導向、導思、導練、導趣，在處置要害問題時做到前有孕育、中有突破，后有發展。指導教師的輔導，未必是張揚的說教、專門的儀式，而應滲入于平凡的專業交流的言語和行為之中，但是必須堅守的規則是“只指路、不帶路”。

參考文獻：

[1]孟俊貞，王香涵，王鵬舉.雙一流背景下提高本科畢業論文（設計）質量的探索[J].大學教育，2021（09）：45-48.

[2]吳珂，方飛龍，朱凱，等.基于FLUENT的隧道射流風機最佳安裝傾斜角研究[J].風機技術，2014（6）：17-21.

[3]梁政，楊琳，任連城.水力旋流器非牛頓流場理論研究[M].北京：科學出版社，2014.

基金項目：江蘇省力學教育教學研究課題“地方應用型高校機械類專業理論力學課程教學改革與探索”（2024jslxjy102）；江蘇省教育科學規劃專項課題“現代產業學院建設背景下地方高校應用型人才培養模式改革與質量提升研究”（C/2023/01/29）

作者簡介：朱坎（1986—），男，漢族，江蘇揚州人，博士，講師，研究方向：流體力學與流體機械；楊權權（1984—），男，漢族，江蘇淮安人，博士，教授，研究方向為固體力學與高等教育教學改革。