时间：2022-11-03 04:42:52
绪论：在寻找写作灵感吗？爱发表网为您精选了8篇机械创新设计论文，愿这些内容能够启迪您的思维，激发您的创作热情，欢迎您的阅读与分享！
机械方案设计是一个创造性很强的活动，其思维过程是形象思维和抽象思维综合作用的结果。目前计算机辅助设计（CAD）主要解决了在计算和绘图等设计后续阶段对设计者的支持。而对于极富创造性的早期方案设计阶段的计算机支持至今没有取得实质性的进展。即使是智能CAD系统，所采用的方法的理论基础仍是基于传统的人工智能的知识表示与推理方法，即逻辑思维为基础，其中多以知识工程和专家系统的方法实现。这种CAD与AI的简单组合，没有也不可能从真正意义上实现方案设计自动化。创造性如何在方案设计过程中体现一直是困扰设计理论研究工作者的棘手问题，也一直没有很好地解决，本文将就这一问题作一探讨。
1机械方案设计的一般过程
一般认为，方案设计阶段主要有两个任务：首先是建立技术系统的功能结构。然后通过选择相应于功能结构中的每个功能的功能载体，并组合这些被选择的功能载体形成整个技术系统的设计方案。
通用设计理论认为，方案设计过程可表述为两个映射过程（图1）：即用户需求域到功能域的映射以及功能域到结构域的映射。由需求域到功能域的映射过程最能体现设计者的创造能力，这一过程涉及到对设计思维规律以及创造性机理认识水平，涉及到自然语言到专业技术语言的转化。尽管有些学者提出通过对设计要求进行层次分解来建立功能结构图的讨论，但一般还要通过人工干预进行。从功能到结构的映射，实际上是功能结构图中的每一个分功能与能实现该分功能的结构进行匹配，一般情况下，总体功能往往包含着许多分功能。而每一功能可以由不同的结构来实现，因此存在组合、协调和评价筛选的问题。具体的机械方案设计过程如图2所示。
图2所示的机械方案设计过程还可通过数学形式进行描述。设总体功能为U，它可分解为一些子功能，分解过程可形式化为：
U＝（U1，U2，…Um）（1）
即总体功能是有m个子功能UI（I＝1，2，…m）组成的。
任何一个子功能UI（I＝1，2，…，m）对应着能够完成该分功能的子结构的集合TI，即
TI＝（tI1，tI2，…，tin）（I＝1，2，…，m）（2）
式中tij（j＝1，2，…，n）对应于能完成子功能UI的所有子结构，n为完成该子功能的子结构总数。如果用UI定义行，tij为元素构成矩阵，即得到功能与结构相联系的“功能—结构技术矩阵”：
（3）
当然能够实现各子功能的子结构数并不相等，可以将能够实现某一子功能的最多子结构数定为n，少于这个数的子功能元素项用零表示。图2所描述的机械方设计的一般过程，看起来很简单，但计算机实现有许多问题需要解决。如总功能如何分解为子功能、功能如何表达（因为从不同的角度提出的功能表达词汇是不相同的）以及如何有效根据功能索引子结构等问题有待进一步探讨和研究。
2基于机构结构类型变异综合方法
自60年代图论理论首次被应用于机构设计以来，它在机构分析与综合方面的应用得到深入的研究。在图论中，封闭的图代表机构，顶点代表连杆，边代表运动副。图可以用矩阵（如邻接矩阵和关联矩阵）表示、分析和计算。1979年，Freudenstein和Maki提出“功能与结构分离”的方法用于机构综合，随后许多学者对这一方法进行研究和深化。该方法包括如下几个环节：
（1）拓扑结构要求
如运动性质（平面运动或空间运动）、基本回路数（或独立环数目）、运动副类型及数目、构件类型及数目、主动副类型及其位置以及机架的构件类型及其位置；
（2）功能性要求
如输出构件数目及其位置、每一输出构件的任务（如轨迹生成、函数生成、导引以及其它要求、满足对预定的速度及加速度要求、满足对机构整体的动力学性能要求；
（3）约束条件
如运动精度、结构紧凑性、刚度、机械效益、轴销作用反力以及制造、装配、成本等方面的约束。
2．2结构类型综合
通过结构类型综合列出满足设计任务要求的全部结构类型并以适当形式表示。
2．3优选结构类型
根据功能要求和约束条件，筛选出好的结构类型。
该方法目前研究局限在平面连杆机构的结构类型综合，且一般集中在运动链同构识别、自由度识别方法以及平面运动链自动生成等理论方法研究阶段。尽管有一些应用的研究报道，但都是针对简单机构（如变冲程发动机活塞机构、车门开启机构等）通过人工方式实现。计算机实现还有一些关键技术没有很有效的方法，如运动链同构识别问题，主动副位置确定、机架位置的确定、杆组的自动划分以及对运动链进行评价筛选等问题。
3集成功能推理及结构推理的方案创新设计过程模型
如果用人工智能语言描述，在上述第1小节中讨论的机械方案设计的一般过程是基于功能推理方式，而第2小节中所讨论的机构结构类型变异综合方法是基于结构推理方式。这两种方式有其内在的联系，如何将这两种方式有机地联系在一起对于机械方案创新设计是一件很有意义的工作。功能推理主要解决功能到结构之间的映射，通过结构部件组合途径形成机械方案。而结构推理是从结构部件的拓扑结构上通过机构演绎（机架变换，主动件位置变换以及运动副类型变换）途径对机构进行变异创新，尽管目前结构推理局限在平面连杆机构结构类型综合，但通过本文的研究，该方法可以扩展到一般刚体机械方案创新设计。有鉴于此，作者提出如图3所示的集成功能推理和结构推理的机械方案创新设计过程模型。
该设计过程模型由以下主要步骤组成：
Step1：功能结构图的建立。根据设计要求，建立功能结构图。
Step2：根据建立的功能结构图，寻找满足各子功能要求的功能载体并组合成为原始机械方案。
Step3：将原始机械方案进行抽象化为表达机械方案连接信息的运动链表示。并记录原始方案一些约束信息，如自由度数、杆数、原动件必须是几副杆、输出构件是否必须与机架相连等等。
Step4：运动链发散。列举所有与抽象化表示的运动链具有相同自由度、杆副类型以及杆数的非同构运动链，并进行筛选。
Step5：机械方案元型集的生成。对筛选的运动链进行机架识别、原动件识别、杆组识别，形成用连杆和转动副表达的机械方案元型。
Step6：候选方案集的生成。将以上生成的机械方案元型通过类型替代，形成候选方案集。
Step7：方案的评价决策。得到最优方案。
Step8：方案的尺度综合。
4机械方案创新设计智能支持系统
根据以上的过程模型，我们开发了机械方案创新设计智能支持系统MCIDISS。系统的结构如图4所示。该系统由五大模块组成：
（1）基于实例功能推理的原始机械方案生成模块：该模块采用两级实例推理的模型，完成从设计任务到功能结构图的建立以及装置提取与组合协调设计生成原始机械方案的
任务。
（2）基于结构推理的方案设计创新模块：该模块在上面模块产生的原始机械方案的基础上，通过抽象化表示，将原始机械方案表达为一般化运动链，从机械方案拓扑联接上进行变异创新。
（3）评价决策模块：该模块主要任务是对各阶段的设计解进行评价决策。系统主要采用模糊综合评价决策方法。
（4）机构尺度综合模块：该模块主要任务是对组成机械方案的机构参数进行综合，以便从尺度上论证方案的可行性。
（5）运动分析及仿真模块：该模块是在完成机构尺度综合后，对其进行运动分析和仿真，以便使设计者对所设计的方案有一个清晰直观的认识。
首先，设计时间一般为集中1-2周，对于一些基础较差，平时又未受过相关训练的学生而言，就不一定能收到预想的效果。其次，设计题目一般由老师给定，学生只要按要求完成设计图纸和设计说明书即可，基本上没有自由发挥的余地，因此制约了学生创造力的发挥，不利于学生个性的发展。第三，受设计题目模式以及教师所掌握资料的限制，设计过程经常是简单的模仿和重复，扼杀了学生强烈的兴趣和积极的投入，不利于激发学生兴趣。第四，对设计结果考核形式有固定模式，使得学生只能按固定的思维模式去机械的完成设计要求，不敢也不能大胆创新，因而限制了学生创新思维，不利于日新月的当今社会对多层次，创造性人才的需求。因此，在应用型人才培养的大前提下，机械原理课程设计从形式到内容以及设计结果等全过程的改进和更新势在必行。
2.教学改革措施
2.1设计时间及设计过程的开放
课堂设计时间不应拘泥于预先设定的固定不变的程式。预设的设计时间不应该成为课堂设计的“紧箍咒”。在机械原理课程开始课程设计即宣布开始，课堂设计贯穿于理论教学全过程。设计过程随着教学过程由浅入深。先以单元小题目的形式给出设计题目，然后再综合各部分小题目给出适合实际要求的综合性题目，是设计过程贯穿始终。具体做法：首先，改变以往学习过程中，单纯的掌握课程内容，并会做课上例题和课后习题的态度。而是要求对学过的知识会灵活运用，对课后习题的完成不拘泥于做出答案，而是能提出自己的见解或对某些题目提出应用价值和创新思路，进行大胆的修改和试验，提出个人见解，为机构的设计与创新打下基础。其次，学会观察生活，在生活中寻找与机械和机构有关的实物，提出与所学内容之间的关联，并在日常学习中有意识地培养学生的创新精神和创新能力。例如：机构的结构分析部分，要求学生对生活中常见的如折叠雨伞、健身器材等机构在稳定性、安全性，或趣味性、实用性等进行分析，发现其存在的问题，并提出改进意见，给出新机构运动简图，并要求对所设计机构作出简单的模型。学生通过此次练习，找到了学习的乐趣，明确了学习本课程的方向，提高了创新意识，同时对本单元课程内容有了较深入的理解，可谓一举多得。最后，根据各部分内容的大量积累，提出能体现本课程主要知识点，并综合运用基本理论、基础知识和基本技能的课程设计题目意向，并完成基本设计内容。理论课结束时课程设计的主要设计已完成，最后集中1周时间完成必要的图纸和说明书，或取消集中设计时间，而是将设计时间分散于教学过程中。
2.2设计题目及设计结果的改革
设计题目不再由教师统一给定，要尽可能启发学生自己选题，诱发更多的创新和创造灵感，发现更多更好的选题。首先，根据教学过程学生对各部分内容提出的问题、改进意见或创新思路，要求每人或分小组讨论决定设计题目初稿。选题时，学生应量力而行，从小处做起，尽可能来自实际，贴近生活；然后，将设计题目初稿交课程设计指导老师，教师引导学生扩展思路，注意对选题的把关；另外，选题还应循序渐进，处理好继承和创新的关系，由学生自己选择，师生共同探讨，最后确定。设计结果应打破固定模式，不再只是要求做出图纸和说明书，而是可以以多种形式提交。如：设计论文，模型，分析报告等。对学生的创新设计结果，期望值不宜过高，要允许失败和反复，不能求全责备。
2.3考核方式的改革
考核是指评价学习成就、学习效果的测验，即对学生达到教育目标程度的测验。因此对学生课程设计的考核方式只是通过图纸和说明书以及答辩情况进行评价，则被动地跟随教师、循规蹈矩的学生可望获得优秀，而来自毕业生工作单位的信息表明，学校里的尖子生未必全是实际工作中的佼佼者。为给学生充足的自由和空间，成绩不仅包括必要的设计结果，还要从以下几个方面考虑：（1）设计题目选择的实用性，综合性；根据选题的难易程度，应用型指标，给出设计基本分，总分60分；（2）在设计过程中对不同问题的理解、综合、应用能力；根据设计过程的各项能力综合，给出相应的加分，总分20分；（3）能否有自己的见解或提出应用价值和创新思路。根据设计论点给出创新加分，总分10分；（4）根据完成结果给出综合分，总分10分。最后综合前边各项分值，给出总评成绩。例如：某学生设计题目选择一般，给出基本分40分；设计过程理解、综合能力较强，加18分；有创新点8分；完成设计内容结果但创新设计结果有不足，8分；则总分74分。若设计题目难度较高，给55分，其它相同，则总分89分。若难度较高而无创新点则创新项会扣掉8分，则总分81分。综合考虑，在课程设计中评“优秀”者，有自己独到的见解和创新点是必要条件，而创新过程允许出现不足。
3.结语
机械设计具有自身的程序，图1为设计的基本程序。图1机械设计的基本程序目前，机械设计教学中主要存在以下问题。
1.1教学内容过于防范
目前，机械设计这门课程包含的内容较多，有机械原理和机械设计。机械设计包括材料、力学、热处理、机械原理、公差与配合、机械零件、机械CAD等内容，所涉及的知识层面较广，教学内容较散，且与其他课程有着很多重复，如机械设计学科中有一项螺纹连接的相关教学内容。可见，教学范围与机械设计这门学科的学习原则不相符合。又如，减速器的类型、样式和设计参数要求，和机械制图中的减速器设计相关知识存在较高重复率，不仅在学科的学习层次上造成混乱，还浪费了学生的学习精力。
1.2与时俱进能力不强
机械设计这门学科的实用性较强，同时其教学内容随着科技的不断发展而不断变化。所以，传统的教学内容如果不进行更新，很难满足现代社会的需求。现代机械设计教学应当满足工程性和技术性需求，同时也应当具备系统性。因此，现代机械设计学科紧随时代的变化而改变，将传统的设计技术进行时代元素的融入。如今，很多相关院校对机械设计教学中的设备结构、设备强度和运动学等技术的教学比较注重，教学力度也较大，使能源问题、环境问题的教学很少涉及。尤其是安全、人机关系、美学等社会因素和价值工程、周期费用分析等经济因素，导致机械设计教学无法满足现代人们的生产需求。
1.3教学方式落后
很多相关院校对机械设计的教学仍然采用讲学通用的原则，对于教学中的重点知识，让学生采取理论知识记忆的灌输性传统学习方法，而对这门学科的实际应用教学涉及较少，仅仅加深了学生的相关知识或原理的理解。同时，缺乏案例式教学、现场教学以及讨论启发式教学，在学生的学习过程中没有充足的时间进行自主探索，严重阻碍学生对知识的理解与掌握，同时一定程度上阻碍了学生运用所学知识解决实际工程问题能力的发展。因此，应当对机械设计教学体系进行创新。
2创新机械设计教学体系措施
2.1调整教学内容
机械设计的学科教学内容应从实际出发，注重教学的整体性、实践性以及创新性。如今，很多学生对于机械设计的基础知识掌握不明确。所以，机械设计教学中应当遵循适度够用的理论知识学习原则，可采取重点学习、部分理解等方式。首先，教学内容要清晰精简，要精简机械设计这门课程的教学内容，避免学生在相关知识的学习中产生知识重复。同时，在学生的实际应用教学中，如实验、实习、课程设计、社会调查、毕业论文以及课外科技活动等注重实践运用的教学环节，不但要适度融入相关基础知识，还要增加其课程。其次，要注重知识的整合。在机械设计的实际教学中，将其中关联性与联系性较大的知识急性整合学习。最后，在机械设计的教学过程中应当注重知识点的增设。不仅要注重知识的重点性，还要考虑知识的完整性，可以增设以电、液为动力的机构组合，结合实际的典型机械等新内容，使学生全面认识现代机械，以适当前生产实际需要，方便计算机辅助设计的应用和推广。
2.2加强学生能力培养
机械设计是一门极具实践性的课程，过程中应当注重学生设计技能和创新能力的培养，以培养学生技术应用能力为主要教学目的，同时注重学生工程意识、工程实践能力、创新意识以及社会实践能力的培养。实际教学过程中，教师应当彻底摒弃传统的灌输式教学模式，在讲解相关理论知识或原理时，注重培养学生总结结论的能力。同时，在相关知识或原理的讲解时，融入其在实践中的应用，坚持产、学、研相结合，体现机械设计教学的基础性、系统性、实践性以及现代性。
2.3创新教学方法
目前，相关院校的招生多是面向全国，导致各种学生的机械设计学习基础不一。因此，要不断创新如今的机械设计教学。教学过程中，应当加强直观教学，在学生学习相关理论知识或原理的同时，让学生接触各类种机械、机构、零件、部件、图纸，提高学生相关知识或原理的实践性。同时，教师也可以利用多媒体、电子教案、CAI课件以及录像等现代教学技术，借助计算机和互联网，利用虚拟现实技术和仿真软件系统，开展机械设计的现代化、立体式教学。此外，教师在机械设计的实际教学中，应当尽量减少相关知识或原理的理论推导，运用例证讲清思路，加深学生对相关理论知识或原理理解，提高课堂教学效率。
2.4增加教学实践
机械设计是一门较注重实践运用的学科，教学时教师不能仅仅注重学生的知识学习，要更加重视学生的知识运用，如绘制机构运动简图。图2为机构简图的绘制步骤。以四杆机构为例，结合日常见到的筛东西、磨豆腐等，布置设计任务。在四杆机构的讲解过程中，不断提醒双曲柄机构、曲柄摇杆、双摇杆机构分别有什么运动特性，能转化为什么样的运动形式，现实生活中有哪些物品用到了这些机构，不断启发引导学生思考设计任务。一个机器少不了动力，因此课程中增加电动机的选用环节。学生设定自己运动机构的各种参数后，按部就班选用电动机，由此掌握效率等概念，并对整体的机器建立一个大概的认识。电动机选好后，考虑减速的问题。这时，可以引进齿轮机构（包括蜗轮蜗杆）、带传动、链传动。齿轮机构重点讲传动比的分配、计算及选用，对于渐开线的形成等和现场应用联系不密切的内容可忽略不讲。带传动、链传动重点讲传动特点和应用。此外，学习过程中要加入查手册选材料环节，把时间用到应用实践上。
3结语
目前，我国机械设计教学体系仍然存在教学内容过于庞杂、无法适应时代的快速发展以及教学方式过于陈旧和落后等问题。因此，在机械设计实际教学过程中，应当调整教学内容，加强学生能力培养，同时不断创新教学方法，以期为国家培养更多机械设计创新性人才。
作者:李爱军 徐红芹 王红梅 单位:山东理工大学机械学院
参考文献
[1]金京，罗声.基于创新能力培养的机械设计类课程教学改革与实践[J].纺织服装教育，2012，27（6）：534-536，539.
[2]钱抗抗.创新教育模式的理论研究与改革实践——浅谈机械设计基础的微课开发与实践应用[J].职业，2016，（11）：45.
[关键词]课程设计 试卷库 学生创新大赛 CDIO
综合素质教育和创新能力的培养是新世纪高等学校人才培养和教学改革的主要目标，机械类专业人才培养和就业是直接面向机械工程的主战场，显然具有强烈的工程背景和鲜明的机械特色，随着科学技术的迅猛发展和知识更新的快速变化，原有传统的教学模式已不能适应当今社会对高素质、创新型人才培养的需求，所暴露出来的缺陷也非常明显，特别是重理论、轻实践，工程意识淡薄，导致创新动力不足。为此，探讨、研究如何围绕和重视工程意识下创新能力培养，进行课程改革，以适应时代的需要，为社会输送合格人才，显得十分重要和迫切。近几年来，为了培养同学们的创新意识和能力，我们已在相关方面做了大量的卓有成效的尝试和改革。
一、探索创新考核模式，并在教学过程中实施
从2011年起，我们就以机械设计及理论平台课程群为切入点，包括《机械原理》、《机械设计》、《机械设计基础》、《精密机械设计》等课程，对工科课程考核方式的改革做以探索，使之克服现有考核方式的缺欠，形成一套切实可行的、与用人单位的要求接轨的、以考察能力而不是考察知识为主的考核系统。这个考核系统包含的题目没有唯一正确的标准答案，也不是客观的标准化考试。教师根据具体需要选择闭卷、开卷、闭卷和开卷混合、小论文、小设计、口试、实验、参与科研、实地调查等多种方式。像实验、论文、设计、口试、参与科研实地调查等，均可适当采用等级制；增加平时考试的次数和在总成绩中所占的比例；改变一门课程结束时进行一次考试的习惯做法。教师在课堂教学的过程中有意识地随时观察和记录学生的学习表现，通过面谈、正式作业、项目调查、书面报告、讨论问题、写论文等方式对学生的学习进行即时的和全面的评价。
通过详实的企业调研，编制了包括《机械原理》、《机械设计》、《机械设计基础》、《精密机械设计》各20套考题的试卷库；选定各课程中近10种小论文的题目；选定近100道来自生产实际的口试题。并把这种考核内容和考试模式在教学中试点应用，学生普遍反应这种考核模式摈弃了单纯的死记硬背，对学生的理解能力、创新能力的培养起到积极作用，使得“校园人”和“社会人”自然衔接，缩短“断乳期”。
二、更新传统课程设计模式
《机械设计课程设计》是机械设计课程的后续必修课，对多门课程起到融会贯通的作用。传统的课程设计模式是老师指定题目，学生按步骤计算，最后成图。由于设计时间短，学生对方案的修改很排斥，更无法做到多种方案比较。我们采用的方法是：让一部分学生从学期初就开始用C、VB等计算机语言，进行参数化设计，把课程设计中耗时多的模块譬如：带传动设计、齿轮设计、轴的设计编成参数化设计程序，学生利用编制的程序输入原始参数，原来齿轮设计需要两天的计算量，现在则需要十几分钟，这样就使改变参数带来的重复计算工作量大大降低，学生可以做出多种设计方案，实现方案的优化。
三、基于CDIO理念的课程教学体系
为了加强学生的学习技能、沟通技巧、管理能力、领导才能、实际应用能力和团队合作能力，我们在《机械原理》课程教学中引入了CDIO（构思、设计、实现和运作）工程教育模式，在课堂教学中增加了基于功能原理方法论的机械系统设计知识点；随课堂教学的进展，同步了22个设计题目，每4或5个人组成一个设计组，组内按设计任务进行合理分工，课程结束时，提交了设计结果（包括设计的三维数字模型、仿真模型、设计报告）。通过基于项目的学习方法，同学们一方面掌握了理论知识，同时也锻炼了解决实际工程问题的能力和团队合作的能力，取得了良好的教学效果。
四、指导学生参加各种创新大赛，取得丰硕成果
机电学院的学生参加大赛由来已久，继山东省机电产品设计大赛之后，从2011年，我们又牵头组织学生参加全国信息技术应用水平大赛，此项赛事是教育部主办，每年参赛规模大，参加学校多，对学生的创新能力培养有很大好处。2011年，我们获得最佳指导教师奖3项，优秀指导教师奖2项，全国二等奖3项，全国三等奖5项，全国优秀奖9项；2012年，获得最佳指导教师奖5项，优秀指导教师奖5项，全国二等奖4项，全国三等奖7项，全国优秀奖5项。烟台大学连续两届获得优秀组织奖。对此项比赛，学校给予了充分的肯定。
综上所述，我们针对学生学业能力的评价，创建了一种多层次多视角的以能力为主和知识为辅的综合考核系统，对学生的理解能力、创新能力的培养起到积极作用；我们在传统的机械设计课程设计中引入计算机辅助技术，培养了同学们在传统机械设计中应用现代信息技术的能力，加强了与工程实践的接轨；2006--2012年学科组指导学生参加全国机械创新设计大赛和山东省机电产品创新设计大赛，获得诸多奖项；2011-2012年组织学生参加全国信息技术应用水平大赛，获得多项优秀指导教师奖和学生国家级奖、省级奖，我们通过把大学生机电产品创新设计大赛、信息技术大赛等各种创新设计竞赛作为检验教学效果和学生能力培训的一个平台引入教学过程中，从而加强了学生基础知识和实践能力的培养；在课程教学中引入基于项目的学习理念，加强学生的学习技能、沟通技巧、管理能力、领导才能、实际应用能力和团队合作能力的培养。总之，成果所解决的问题正是当前高等教育面临的应试教育与素质教育之间转变的重要问题，我们通过创新性教育和教学不仅提高了学生的动手实践能力和创新的积极性，而且对于进一步深化机械本科教学改革、加快创新型人才的培养步伐、全面推进创新教育理念都是具有深远意义的。
[参考文献]
[1]《创新人才培养与新世纪日本研究生教育改革》 Comparative Education Review.2009/11；
[2]《创新实验教学，培养创新人才》China University Teaching.2009/10；
关键词：TRIZ理论，创新设计，机械产品，
二十一世纪全世界范围内机械产品激烈竞争，各个国家都很重视如何提高产品的设计水平，增强其竞争实力。而产品设计最主要的目标就是对产品进行创新，满足消费者的需要并且占据市场更重要的位置，所以，要想增强机械产品自身的竞争实力，最根本的途径就是重视创新设计。创新设计理论又叫做TRIZ理论，是设计的核心理论，目前已经在机械产品创新设计中被广泛应用，可以提现企业的核心竞争力。1946年，前苏联G.S.Altshuller创立了TRIZ理论，指的是发明问题的解决理论。以这个理论为基础，军事工业得到了很大的发展。二十世纪九十年代开始流入美欧，在某些企业当中开始应用并且推广，取得了很多发明专利，随之也产生了经济效益，当很多国家兴起了TRIZ理论研究和推广的热潮。1998年之后，TRIZ理论开始在中国出现，不少科研机构把TRIZ理论作为技术创新的首选，积极的进行探索。这篇论文主要是探讨TRIZ理论主要内容以及在机械产品创新设计中的应用。
1.TRIZ理论基本内容概述
TRIZ理论的观点是，发明问题的关键是解决冲突，而解决冲突需要遵守相关的原则：对系统的某个零部件或者性能进行改进时，不可以影响到系统或者相邻的其他零部件以及性能。冲突主要包括技术冲突和物理冲突，物理冲突指的是如果对一子系统出现相反的要求时所出现的冲突，系统的某个部分同一时间出现两种相反的状态，主要是由一个参数造成的。技术冲突的含义是系统的某个部分性能增强造成了有害以及有用两种结果，也可以理解为有益作用被引入或者有害作用被消除，造成其他的一个或者几个子系统性能降低，这种问题主要是由两个参数造成的。
G.S.Altshuller在理论当中提出了四十条冲突解决原理，也就是发明原理以及冲突解决矩阵的含义，各种领域的相互冲突的特性通过高度的概括，抽象成为三十九个技术特性参数（也叫做通用工程参数），矩阵中的行代表冲突恶化的参数，列代表冲突改善的参数。针对技术冲突，可以以冲突矩阵为基础，找到对应的发明原理，从而找到解决问题的办法；针对物理冲突，通常利用分离原理了可以找到解决办法，发明原理和分离原理之间具有一定的关系，一条分离原理，可以对应很多条发明原理。
2.TRIZ理论在机械产品创新设计中应用
2.1.TRIZ理论在机械创新设计中应用的步骤程序
将TRIZ理论应用到机械创新设计当中，主要的步骤是：对机械系统问题进行分析，明确关键的技术功能，找到造成系统中问题的参数，对冲突的类型进行判断。如果系统中的问题主要是由一个参数造成的，属于物理冲突；如果是由两个参数造成的，属于技术冲突。可以通过分离原理解决物理冲突，对分离方法进行确定，包括时间分离、空间分离、整体和部分的分离、基于条件的分离，根据实际的分离原理和解决冲突的发明原理的对应关系，找到解决问题的办法。技术冲突，第一步要确定恶化技术特性参数和改善技术特性参数，再以冲突矩阵为基础，找出对应的发明原理，从而找出解决问题的办法。最后，把推荐的对应的发明原理应用的具体的问题上，对每一个原理在具体问题上的实现和应用进行探讨。
2.2.呆扳手的创新设计案例
设计初期的呆扳手在松开或者拧紧六角螺母或者螺栓时，因为螺母或者螺栓受力点在两条棱边，很容易变形，因此无论是松开还是拧紧都比较困难。而新的设计需要避免原来设计当中的缺陷。后来美国一项以冲突矩阵为基础的专利解决了这个问题。这个专利是从三十九个通用工程参数当中选择一对特性参数：1）提高质量的参数：物体所产生的有害因素，可以对螺母或者螺栓减少磨损。2）可以造成负面影响的参数：制造精度，全新的改进有可能造成制造的困难。然后把上面的两个参数代进冲突矩阵，可以得到下面四条发明理论，即是：维数变化、小对称、抛弃与复制、修复。通过分析维数变化以及小对称这两条发明原理可知，经过创新的呆扳手工作面的某些点可以和螺母或者螺栓的侧面相接触，而不仅仅是接触棱边，因此解决了这个问题。
通过这个实例可以说明，机械产品的某些参数或者特性进行改进之后会造成其他参数和特性的恶化，可以通过冲突矩阵来解决这种技术冲突，这说明在机械产品设计当中应用TRIZ理论时具有价值的。
2.3.某飞机的航空发动机引擎罩的创新设计案例
某飞机的航空发动机引擎罩在设计时，表现出来的技术冲突是：一方面希望发动机可以吸入较多的空气，另一方面又希望发动机罩和地面之间的距离可以不减少。把它转化为物理冲突：应该将发动机罩的直径加大，这样有利于吸入空气，但是直径又不宜过大，避免机罩和路面的距离减少。
这个物理冲突可以用空间分离原理进行解决。空间分离所对应的发明原理当中有No.4不对称原理。根据这个原理，可以把原来的对称设计变更为不对称的设计。如下图所示。
图1：发动机罩改进设计方案示意图
3.结束语
突出工程观点机械设计课程是一门实践性很强的课程，而学生缺乏实践经验和感性认识，因此我们充分利用实验课、课程设计等实践环节，培养学生应用工程观点提高分析问题和解决问题的能力。实验课在传授知识和技能方面有着理论课无法替代的作用，它的特点是观察目标明确、清晰，原理结构易懂、有针对性，可动手操作等。我们要求学生仔细观察、分析，并将实际结果和有关原理进行分析、对比和归纳总结。如动平衡实验、螺栓组连接实验等几个验证性实验，目的就是验证理论知识，培养实验动手能力，同时提高学生应用工程观点分析问题的能力。课程设计是本课程及相关课程知识的一次综合运用，是学生第一次较全面的设计训练，是对学生设计思想、设计方法和设计能力的一次锻炼和检查。在此过程中，前一阶段教学中存在的问题会显露出来，因此这是系统培养和强化学生工程观点的一次难得的机会。
将单个零部件的设计与整机设计结合起来在实际的工业应用中，零部件往往不是单独使用的，它们要相互连接、配合形成系统进行工作。因此，机械设计课程教学的目标决不仅仅是为了能够进行单个零部件的设计，而是面向实际机械系统的设计。但目前国内高校机械设计课程的内容在编排上都是以零部件进行分块讲解，各个零部件之间没有很好地建立有机的联系，学生在学完整个课程之后虽然能够进行单个零部件的设计，但面临整机设计中的零部件之间相关问题设计往往无所适从。为此，我们在教学中每讲到某一个零部件的设计时总要抽出一定的时间详细介绍一下该零部件与其他零部件之间的关系、设计中如何进行相互协调等。
合理使用教学方法与教学手段
1采用多媒体教学，提高教学效果学校在多个校区建立了设备先进，条件优越的多媒体教室，能保证全校机械设计课程的多媒体教学。从2000年开始研究利用信息技术进行教学手段和教学方法的改革，进行多媒体课件的研制工作，完成了《机械设计基础》、《机械工程基础》、《机械设计》三门课程的多媒体课件，所用素材内容丰富、经典生动，学生反映良好，使用方便省时高效；使教师授课空间由二维的黑板扩展到了更真实、自然的多维空间，为改革传统的教学方法和教学手段提供了新的发展机遇。
2多样化的课堂教学帮助学生掌握重点、克服难点理论课加强启发式，采用多媒体和黑板相结合，并辅以配套电子版教材，帮助学生听课与复习；习题课通过抓住典型习题，举一反三，以点带面；讨论课以实际工程为背景，使学生在分析能力提高中理解重点；实验课充分发挥开放实验室的作用，使学生在自主动手能力提高中突破难点。
3建设“机械设计”省级精品课程网站利用校园网提供的网络教学平台,为学生提供了教学课件、学习指导、复习思考题、练习题等大量的学习资源，节省了学时，提高了教学效率和教学质量，也培养了学生的自学能力。
3开放主题的小论文，培养学生主动获取知识的能力
由于学时的限制，在讲授机械发展史等内容时，只能给学生一些很粗浅的认识。我们尝试让学生对这部分内容进行自学，并且给学生获取比教材上内容更丰富和具体的知识的途径，要求学生以“各种机械的发展史”为主题写成学习小论文。学生通过查阅相关资料，对各种机器的相关技术及发展有了较深入的认识，并完成了诸如“机器人的发展”“、抽油机的发展”、“联合收割机的发展”、“轮式拖拉机的发展”等小论文的写作，并编辑成册，培养了学生主动获取知识的能力。
工程实践能力和创新能力的培养
以机械设计课程体系的教学内容为背景，以强化设计型、综合型和加强学生动手能力培养为目标，我们将原“机械设计”的实验环节从课程中剥离出来，于2006年构建了单独设置、学分单列的机械设计实验课程,并新编了“机械设计实验指导书”和“机械设计实验教学大纲”，按五大模块体系设置了5个实验项目，其中：创新设计型实验1个，综合型实验3个，验证型实验1个。对每个实验项目规定了难度等级，要求每位学生至少完成3个实验项目，其中包括2个必做项目和1个选做项目，便于因材施教和培养学生个性发展。为进一步提高本科生科研能力、创新能力和实践动手能力，进一步激发学生的科技创新热情，依托西南地区较早建立的机械创新设计实验室，我校每年都举办大学生机械创新设计大赛，学生可根据自身的兴趣爱好和创新需求自由申请项目，也可申请参加教师从现有教学、科研、生产和管理研究课题中细化出来的项目或企业界设立的项目，学校给予经费支持，机械基础教学部配备指导教师。近几年来，学生的科技创新活动如火如荼的进行，优秀作品曾多次获得四川省“挑战杯”、全国“挑战杯”、全国大学生机械创新设计大赛奖项以及全国机器人足球锦标赛冠、亚军。
加强师资队伍建设
机械设计课程教学组鼓励和支持青年教师在职提高学位，实行指导教师责任制，安排富有教学经验的老教师在教学和科研上对新进教师进行指导和帮助，实行一对一的传、帮、带，并订有明确具体的培养计划，帮助他们提高教学能力，过好教学关。要求新进教师必须经过听课、辅导答疑、批改作业、指导实验、指导课程设计、试讲、点评、讲近机类课程等阶段后，才能讲机类课程。经常开展有关本课程的教改与建设、教材建设、教学方法与手段运用以及老教师示讲、试讲等教学法活动；鼓励青年教师在教学方法、教学手段等方面勇于创新，创造条件鼓励教师参加各种学术会议。鼓励青年教师积极参与本课程组主持或参加的校级及省教育厅立项的课程建设与教改研究项目。另外，加大引进具有丰富实践经验的高级工程技术人才，把不同经历的教师融为一个有机整体，使教师间共同磋商，相互学习，取长补短。
机械原理教学方法创新思维一、引言
机械制造业是国民经济发展的基础和支柱产业，我国机械制造业的快速发展，对机械类人才的素质知识与能力结构提出了更高的要求。机械制造企业需要的是既有机械的理论知识，又具有创新精神、团队协作能力与机械产品创新设计能力人才，这一人才需求的变化，使从事机械人才培养的我国大学工科教育必须全方位的改革教学理念与教学模式，迎接新的挑战。因此在机械专业的基础类课程的教学过程中，如何培养学生具有的创新能力、综合设计能力及再学习能力，是摆在我们面前的一项重要课题。
机械原理是机械专业的重要的一门专业基础主干课程，主要涉及的内容是关于常用机构的结构、运动和动力分析及机构运动方案设计。传统的教学模式十分注重各种机构的结构与运动分析等知识的讲解，学生当时虽然学到了这部分的机械知识，但是普遍缺乏创新意识、缺乏发现问题能力与解决问题的能力，往往遇到教科书上没有的实际的机械设计问题，就束手无策。
二、应用案例教学法，将创新思维方法融入整个教学过程中
从心理学角度讲，新奇的事物对学生有特别大的吸引力。在应用案例教学法时，要能针对教学中的重点，进行案例的选择，恰当地设疑，引导学生主动思维，定向探索问题。
在讲解机械原理的基础知识时，我们收集了典型的机构案例，应用多媒体教学手段在课堂上进行模拟再现，并设置问题，这不仅有利于学生感性认识的深化，而且有助于学生进行深入探讨和思考，有利于学生将抽象的机构知识形象化，概念具体化。例如，由机构组成原理可知，任何平面机构都可以看作是由基本机构加若干个基本杆组组成的。在讲解机构组成理论时，我们先出示了一个送杯机构的结构图，请学生分析此送杯机构能否达到其设计目的，这不仅引起了同学的好奇和争论，也在课堂上设置了思维的发散点，在论述了机构具有确定运动的条件后，要学生运用理论知识分析此送杯机构的设计有哪些问题，提出改进方案。这使学生有了充分的发表自己见解的思维空间，活跃了课堂教学气氛。在此基础上，带学生参观实验室的包装机械和各种机构模型，让学生绘出其运动简图，再在实验台上拼接出来。经过这么一个过程，在学生头脑中，机构组成知识就不再是孤立、静止、抽象的符号与线条、呆板的公式，而是有机的、形象、生动的机构知识，同时领悟了机械原理的基本知识来源于工程实践，这为他们将来进行机械方案构思打下基础，激发了学生对此课程的学生兴趣。
三、构建新型的授课体系，启迪大学生创新思维意识
在进行教学过程中，根据学生学习兴趣与层次的不同，我们采用了灵活的教学方法，把课堂教学、学生分组研究、学生课外兴趣小组指导等方法结合起来。
课堂授课中，除了讲授主要教学内容外，还把机械原理课程的有些章节授课方式与内容作了调整，把机构中的一些理论留给学生自己去“发现”，把传授知识的过程转为由学生自己“发现”的过程，使学生受到科学思维的训练。例如在讲连杆机构时，我们运用多媒体课件介绍了连杆机构在实际工程中的应用和连杆机构的类型后，提出了连杆机构为什么在机械工程中得到广泛的应用？有哪些基本特性？连杆机构的尺寸变化对这些基本特性有何影响等问题。让学生每4～5人一组分组课后研究，每组选定一类四杆机构，自己拟定尺寸，应用三维CAD软件，进行建模和仿真，并作出书面报告。通过三维模拟和分析讨论，学生不仅提高了计算机的应用能力，而且因为亲自拟定机构尺寸，分析和观察了四杆机构的急回特性、压力角等现象以及尺寸变化后对上述特性的影响等，学生享受了“发现”知识的快乐，由于是自己构思、自己模拟仿真，生动形象、看得见、印象深，记得牢。我们还布置了一个小论文，论文的题目由学生自己拟定，内容是收集应用连杆机构的实例，要求观察日常生活、生产实践中，哪些物品应用了连杆机构，要求拍出实物照片，研究的实物用途、满足的功能，作出实物的机构运动简图，说明连杆机构的类型、特点；说明研究的物品应用了连杆机构的哪些特性等，分析物品的设计巧妙之处，还有何不足之处，能否改进等。这激发了学生很大的热情，学生走出课堂收集资料，以前熟视无睹的物体，现在看见其能动，就去捉摸其原理，收集了有玩具、健身器、铰链、电动伸缩门、折叠画架等四十多种例子。同时，让小论文写得较好的学生在课堂上进行演示，由全体学生讨论和评价，这使上台演示的学生受到激励，得到了锻炼，也使其他学生受到启发，感受到机械就在我们的身边，消除了对机构设计与创新的神秘感。
在此基础上建立了课外兴趣小组进行辅导，在学生进入课题时，向学生介绍设计思想和创新方法，引导课题小组积极查找资料，相互讨论、相互启发、克服思维定势，发散和激励思维，从功能原理的角度出发，提出多种方案进行比较，让学生在探索和研究中，逐步解决问题，完成设计。
四、以创新大赛等实践活动引路，拓展大学生的创新设计能力
Abstract: It is an effective way for enhancing the university student scientific innovation ability ,through developing the race about machinery innovative design .This article discusses the necessity to develop the race about machinery innovative design in vocational colleges. Then, aimed some difficulties in poor area, it proposed the machinery innovation's accurate localization. Finally, through some effective organization and practice, it achieved the goal to trainthe students’ innovative ideology and team cooperation ability, to enhance the teachers’ and students’ scientific innovation ability.
关键词:高职院校;机械创新;定位;竞赛
Key words: vocational college;machinery innovation;localization;race
中图分类号:G71文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)26-0167-02
0引言
近年来,我国高等职业教育蓬勃发展,为现代化建设培养了大量高素质技能型专门人才, “以服务为宗旨,以就业为导向,走产学结合发展道路”是高职教育的办学特色。然而,某些高职院校只注意学生职业技能的培训,削弱了文化知识的灌输,缺乏创新能力和可持续发展能力的培养,只是“为就业而就业”,这样培养出来的人才很难适应当今社会知识不断更新、岗位不断变换的需求。
“创新是一个民族进步的灵魂,是国家兴旺发达不竭的动力”,只有创新型人才,才能在社会发展中立于不败之地。高等职业教育作为高等教育发展中的一个类型,肩负着培养面向生产、建设、服务和管理第一线需要的高技能人才的使命。因此,在高职院校机械类专业中开展机械创新设计大赛是十分必要的。
1研究的意义
1.1 基本宗旨本项目的研究与实践拟在解决高职院校如何培养机械创新人才和学生的创新意识,进而将创新作品转化为企业的产品,构建新型的校企合作模式,推动地方经济的快速发展,为地方经济服务。
通过机械创新设计大赛将大赛中暴露出的问题反馈到创新人才培养的课程体系,改进我们的教学方法和转变培养模式,促进教师教学水平和创新能力的提高,为学生营造良好的创新氛围,培养学生的创新意识。在举行机械创新设计大赛时,在社会上大力宣传,并邀请企业专家共同参与,让大赛中优秀、成熟的作品转化为企业的产品,推动地方经济的快速发展,逐步将高职高专院校转变为地方企业的技术服务中心。
1.2 具体目标通过几年持续的机械创新设计大赛,主要达到如下目标。
①提高高职院校学生的创新意识和创新设计能力,使学生能够为解决实际问题而主动去学习知识,变被动接受知识为主动索取知识,让学生早日将所学的理论知识用来解决实际问题,早日与社会接轨。②稳定和锻炼指导教师队伍,使更多教师热衷于指导大学生机械创新设计工作,形成学生、教师和教学、科研相互辐射的互动效应。③将比赛中反映出的创新能力所需的理论知识、专业技能反馈到教学的各环节,从源头提高大学生创新的潜能,改革“机械创新设计”相应的教学内容,改善学生机械创新设计活动的实施条件,提高学生的实际动手能力。④将比赛优秀、成熟的作品通过当地企业转换为产品,推动地方经济的快速发展,构建新型的校企合作模式,为地方培养高技能创新人才。⑤通过选拔,推荐部分产品参加省级或省级以上层次的机械创新设计大赛,提高学院知名度。
1.3 研究价值本项目研究和实践的价值在于提高课堂教学知识的应用实效,促进基本知识和基本技能在实际运用中能更好的相结合,培养学生的创新意识和创新设计能力,使学生能够为解决实际问题而主动去学习知识,变被动接受知识为主动索取知识,让学生早日将所学的理论知识用来解决实际问题。同时,在本项目的研究和实践过程中,教师的参与指导以及和创新小组成员的之间的相互交流,相互探讨,共同发展,共同进步,使更多教师热衷于指导大学生机械创新设计工作,形成学生、教师和教学、科研相互辐射的互动效应,大力提升教师教育理论水平和研究技能,不断铸造成一支科研型的教师团队,促使学校成为一所科学发展、特色发展、可持续发展的学校。
2研究中存在的困难
2.1 学院及周边环境的制约广西现代职业技术学院地处河池市,该地区为革命老区、山区,属于少数民族聚集地,经济欠发达、工业基础尤其是机械工业相对薄弱,机械类产品市场很不完善。
该学院机电类专业近年基础设备投资较大,大部分设施可应用于职业技能培训,然而可以用于机械创新的高科技含量的设备明显不足。客观环境造成在该学院开展机械创新设计大赛有一定的实际困难。
2.2 科研力量相对薄弱要在学生中充分开展机械创新设计大赛,就要求专业教师必须具备相当的科技创新能力。由于地域的原因,近年来虽然该学院机电类专业引进了一批专业教师,但大部分教师科研能力不足,而且这些教师出去交流的机会相对较少,其科研能力的开发基本依靠自学;许多教师忙于教学任务,根本无暇进行科技创新。科技创新离不开校企交流,而该地区机械类企业现代化程度相对较低,通过校企交流提高教师的科研能力也很难达到目标。
2.3 学生自身存在的不足由于客观原因,该学院机电类专业所招收的学生绝大部分文化基础非常薄弱,理解能力和学习能力相对较差,缺乏刻苦钻研精神,科技创新素质较低,动力不足。具体表现为:①缺乏系统的科学理论,基础知识不够扎实,好高骛远而能力不足;②缺乏拼搏的精神和顽强的毅力,没有掌握精深的专业技能,虎头蛇尾,甚至是是半途而废。③没有高超的学习技能和创造性的思维方式,缺乏敏锐的观察力和强烈的好奇心,缺乏丰富的想象力和敢与冒险的勇气,立项没有创意。④缺乏博大的胸怀,高尚的人格和团队协作精神,单打独斗,无功而返。
2.4 科研创新激励机制不够健全,经济基础不够雄厚科技创新离不开经济的支持,目前,该学院的机械创新设计大赛刚刚开始,相关的政策还不十分明确,这在一定程度上也制约了该项目的顺利实施。
3机械创新设计大赛的组织与实施
3.1 活动的宣传与发动首先,组织各相关专业教师和学生辅导员召开机械创新设计大赛宣传动员会,制定详细的活动计划;通过教研室督促,辅导员宣传,使每个学生了解此次活动的意义及相关日程安排。其次,为了保证机械创新设计的质量,选拔数名专业课教师精心准备相关的科技创新讲座。通过系列讲座,培养学生的创新思维,使学生了解基本的创新方法和技巧;重点了解机械传动、液压与气动、电气控制在日常生活和创新设计中的运用,并使学生了解科技论文写作的基本格式和写作技巧,培养其科研能力。
3.2 机械创新组织机构的组建,激励机制的确立为了保证机械创新设计大赛的成功,我们成立了三个专门机构。
①在系部成立机械创新设计大赛领导小组,由系主任亲自挂帅,以机械教研室为依托,相关专业教师为小组成员。②根据学生参加活动的报名情况,在各个参赛班级成立机械创新小组,并为每个小组配备1-2名专业教师作为指导教师,全称指导学生的机械创新设计活动。③ 在原有的机械协会的基础上,成立机械创新协会,具体负责活动的协调工作。
为了充分调动学生参与机械创新的热情,我们提出了几项鼓励措施:①活动期间,实习实训场所全方位开放,为学生创作提供设备、刀具、量具及部分耗材,并委托实习指导教师对学生的制作加工予以必要的指导。②所有参赛作品耗材由学院统一报销,免除学生的经济顾虑。③ 获奖作品除颁发荣誉证书外,并给予参赛学生和指导教师一定的物质鼓励。④推荐部分作品参加第四届全国大学生机械创新设计大赛广西区竞赛。⑤此次参赛作品的设计说明书可以作为毕业设计。
3.3 活动的定位此次机械创新设计大赛,适逢“第四届全国大学生机械创新设计大赛广西区竞赛”,其主题为“珍爱生命,奉献社会”;内容为“在突发灾难中,用于救援、破障、逃生、避难的机械产品的设计与制作”。根据我院的实际情况,我们把参赛作品定位在“方便实用、节能环保,有一定的创新性”,避免过大的投入,不追求过高的科技含量。目的是通过这次大赛,提高广大师生的科技创新素质,养成团结合作、合理分工的团队意识,加强师生交流,强化系部凝聚力,提高学院知名度。
3.4 活动效果与评价经过长期的宣传组织,机电工程系机械创新设计大赛如期举行,此次比赛共收到参赛作品19件,经过层层选拔,遴选出3件作品参加“第四届全国大学生机械创新设计大赛”广西区竞赛,经过评比,由韦建军等老师指导、傅俊淇等同学创作的作品“离心式摩擦缓降器”以其“节能环保、方便实用”的特点深受专家好评,并夺得大赛一等奖,另外两件作品也分别获得二、三等奖。
通过这次活动,培养了同学们的团队合作精神和创新意识,增强了广大同学积极学习专业知识的兴趣,同时也提高了广大教师的科技创新能力。赛后,许多同学纷纷表示,此次活动很有意义,大家在创作过程中主动学习,解决了以前在课堂学习中未曾解决的难题,充分理解了专业知识的有用性。同学们建议,希望以后经常举行这类活动让更多的同学参与进来。
4结束语
实践证明,在贫困地区高职院校开展大学生机械创新设计大赛是十分必要的,通过这项活动,能够培养学生学习专业知识的兴趣,提高其团队意识和创新能力,有助于提高学生的综合素质,同时有助于教师科研素质的提高,并有利于促进学院科研氛围的形成。
参考文献:
[1]刘忠伟.高职机械类专业创新人才培养的研究与实践[J].天津职业大学学报,2007,(12):14-17.
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