基于仿生项目的机械设计学实验教学改革的探索与实践

2015-12-23解明利黄世军汪飞雪臧新良

实验室研究与探索 2015年9期

解明利，黄世军，汪飞雪，臧新良

(燕山大学机电液一体化国家级实验教学示范中心，河北秦皇岛066004)

0 引言

“机械设计学”是机械设计制造及其自动化专业的一门学科主干课，通过系统的学习，使学生具有初步的“能提出创新构思并能尽快将其转化为具有竞争力产品”的能力。在这个过程中，创新性思维是灵魂，也是机械设计学的本质与核心［1-4］。设计作为一种创造性活动与实践密不可分，息息相关。而实验教学正是学生进行实践活动的一个重要环节，是学生学习机械设计学课程进行工程实践的重要途径，通过精心设计的实验教学，可以启迪学生创新思维，开拓设计潜能，提高分析和解决问题的能力［5-9］。发挥着理论教学不可替代的作用。目前，国内外一些高等工科院校普遍采用了CDIO 的工程教育模式，其本质就是注重学生动手能力的培养和创新工程素质的提高，基于这种理念，我们紧紧围绕机械设计学课程教学内容与体系，对实验教学从体系结构到内容、手段和方法进行了一系列有益的探索与改革。

1 基于项目的实验教学

1.1 传统实验教学存在的问题

在传统的机械设计学实验教学中，主要以观摩性、验证性实验为主，即便有学生动手操作的环节，基本上都停留在对机械设备的拆装与分析这个层面上，比如对典型机械针式打印机、脚踏式缝纫机等的拆装实验，通过拆装也只是让学生在较低的层次上对机械的功能原理有一个简单的认识，根本无从谈及综合设计和创新能力的培养。学生一哄而来，一哄而去，教师和学生之间缺乏感情交流，学习交流的机会［10］。这种教学模式只适用于基本技能的训练，无法全方位、多层次的激发学生的积极性和创造性，学生无法深刻理解并应用理论课程中所学习到的“创造性思维”、“创造性方法和技法”等内容。另外，这种实验教学模式在成绩考核上也存在不足，学生的成绩评定大多是以学生实验报告和教师印象为主要依据，这样做有两个弊端，一方面无法杜绝有雷同实验报告的现象，另一方面学生实验成绩的评定完全是以教师为中心，学生处于被动接受的地位，基于这两点，成绩评定时很难做到量化的公平、公正、准确，在一定程度上影响了学生学习的积极性和主动性，不利于学生实验中实事求是，诚实守信等优良学风的培养。以上这些问题的存在，直接导致了学生在主观上对实验的重视程度不够，缺乏投入的热情，书写的实验报告千篇一律，应付了事，甚至有些同学课下被问及实验讲过的内容都解释不清楚，这样的实验教学显然和“机械设计学”课程中所要求培养的学生能力是衔接不上的。当今的机械设计学实验教学内容的重点已不单是机械功能原理和结构的简单分析，作为随着科技进步不断发展的学科，其突出要求的是学生在设计中创造性思维和能力的锻炼与培养，通过一套行之有效的实验教学体系，使学生真正意义上认识到积极参与创新设计实践比死记硬背各种创新设计理论更重要，通过实验教学，使学生消除对创新实践的神秘感，提高参与创新实践活动的兴趣和自信心，为达到这一目的，必须对传统的实验教学进行改革。

1.2 基于项目的实验教学

基于项目的实验教学一般可理解为，在规定的时间内，以某几个典型工程设计案例为目标，以学生小组为主体，以教师为主导，在共同协作中，充分组织和利用相关资源来完成设计任务，并将成果以实际的产品形式表现出来［11-14］。这种实验教学模式主旨上是以实验室为依托，以产品设计为目标，将课内知识向工程实际拓宽，技术知识向工程实践迁移，引导学生充分发挥自己的聪明才智，独立解决工程问题，学生在创新设计的过程中，会主动的把理论课堂中所学到的知识应用到产品研发过程中，将躺在教材中的繁杂理论和一个个鲜活的工程实际结合起来，让以往学生感觉看似枯燥的文字一下子有了生动的立体形象，让学生真正体会到了学以致用，提高了解决复杂工程问题的能力。另外，由于要求学生还要完成最后的产品制作，学生潜移默化的在设计中会考虑成本与效益这个概念，这种思想和现代工业的可持续发展经济模式是相契合的。这种基于项目的实验教学模式充分做到了以学生为中心，为了出色地完成设计任务，不同学生设计出不同方案，甚至同一个学生今天设计了一个方案，明天又提出一个新的方案，学生的思维处于非常活跃的状态，实验过程中经常出现争论不休的场面，出现这些现象是学习积极性的表现，是经过独立思考的结果。作为教师在实验教学中，要善于激发、鼓励、引导学生的这种创新设计的热情，激情带来创造力，这比单纯地传授一些知识更为重要［15］。这种实验教学模式，学生表现了极大的热情和参与性，通过实验既体会了设计过程的艰辛，也尝到了成功的快乐。

2 基于仿生项目的机械设计学实验教学实施方法

基于项目的实验教学强调以项目为中心，以学生为主体，注重团队协作对给定的工程项目进行研究［16-17］，其实施过程如图1 所示，包括选题立项、方案设计、产品实体设计、项目实施、成果展示交流、评价考核等6 个环节。

图1 项目式实验教学实施过程

2.1 选题立项

选题是项目式实验教学的起点，也是指导创新设计工作的主线，题目选择的好坏，直接影响到最终的教学效果，因此在设计题目时要充分从以下几个方面进行考虑:①选题要充分考虑学生现有的知识经验和能力水平，既能有科学研究价值又不失于生活，这样的选题一方面能激发学生的探究欲望，另一方面不会让学生从一开始就产生高不可攀的抵触情绪;②项目内容应丰富，在实施过程中能体现不同课程的融合，让学生能多方面的运用所学过的知识解决项目中出现的各种问题;③选题要兼顾科学性、创造性、可实施性，保证学生最后能提交完整的作品。时间上要尽可能保证项目能在理论课程进行中完成;④选题应能体现多样性和扩展性，在一个共同的设计目标下，学生能开拓思维，提交各式各样的作品，便于比较和评价。

基于以上这几点考虑，我们选择了工程仿生作为项目背景，学生以3 或4 人为一组，选择不同的生物体为研究对象，通过对生物功能、结构或运动机理的研究建立其生物原理模型，并在此基础上，进行相应的工程理论研究和技术创造，并以特定的机械结构来模拟其运动。表1 中列出了基于仿生项目的10 个设计题目，从表中可以看出，这些题目既满足了机械设计学中利用发散性思维实现创新结构设计的要求，同时还充满趣味性，能充分发挥学生的创造力和想象力，设计活动空间很大。

表1 机械设计学实验仿生项目设计题目

2.2 产品设计

产品设计分为两个阶段，第一个阶段是产品功能原理设计，这是机械产品设计的最初环节。学生要以产品机械的形式在形态、结构、控制、功能等方面对生物行为进行模仿，首先就要对生物体结构奥秘和运动机理进行剖析，然后以功能结构图的形式表现出来，并在此基础上构思能实现功能目标的新的解法原理。学生在这个过程中，可以用智爆法、变异创新法、组合创新法、机遇利用法、技术移植法等创新设计方法提出大量的方案，然后小组同学对这些方案进行研究、讨论、比较，对方案从运动学和动力学角度进行分析，筛选出几个方案后进行组与组之间的答辩，从技术、经济角度进行方案的评价对比，选择一种比较合理的解法作为最优方案加以采用。第二个阶段是产品的实用化设计，这个阶段要求学生在功能原理设计的基础上，把原理方案物化为能达到要求的实体机械图纸，学生在这个过程中，需要查阅大量的资料文献完成整体的参数计算，完成整机系统的结构设计和关键部件的强度刚度校核。对于学生感觉复杂的机械结构，还可以通过实验室现有的机械系统创意组合实验平台进行模拟系统的的搭接，通过实际观察和测量机械系统的动力学参数来验证所设计的机构是否能满足预期要求。在整个环节上，学生不单是在机械设计创新技法方面得到了锻炼，而且还充分使用到所学过的一些工具软件如Adams，Matlab，Ansys，Pro/E，CAD 等，综合能力得到进一步提高。教师在学生产品设计的过程中，要加强引导，善于观察。注意各个学生在实验过程中发挥的作用，记录其存在的问题及其优势，对于一些技术关键点，可以让学生通过实验室平台进行试验研究，充分调动学生自主动手动脑，解决问题的能力。图2 展示的是仿生螃蟹设计小组做的三维设计及后期渲染模型。

图2 仿生螃蟹设计

2.3 项目实施

项目实施是培养学生动手能力最关键的环节，仿生设计究竟能不能完成预期目标，只有通过学生自主动手制作出来的产品进行检验。在这个过程中发现，由于传统的教育体系下，学生从小学到大学阶段缺乏动手操作能力培养的经历，直接导致在面对项目实施时，出现纸上谈兵，嘴上讲得火热，但制成成品却不知从哪下手、无法独立进行机械加工、制作过程出现停滞怠工的现象。此时教师一方面要鼓励学生放手加工，不怕失败;另一方面要勤加督促，在现场进行指导，给学生做参谋。实验室对学生全天候开放，在加工设备、操作工具等方面给学生提供充足的条件。这个阶段的教学给我们以下几点经验值得后续借鉴。

(1)指导学生在项目实施时，注意项目成本控制的概念。在企业生产中，项目成本的控制一直是制约项目发展的一个重要因素，提高成本核算水平，降低工程成本，是实现目标利润，创造良好经济效益的重要途径。在项目实施过程中要注意培养学生这方面的意识，这对学生日后进入企业服务是非常有利的。学生在实物制作时，选取零件的加工材料时，要兼顾材料的性能和价格，在理想使用前提下，尽量选取适用范围广，价格低廉的材料，在加工方法上，尽量使用加工费用较低的加工设备，能在普通机床上加工的零件就不适用3D 打印，能手工制作的零件就不使用机加设备。

(2)让学生把握好时间节点，在项目实施时，学生只要有惰性就会拖延项目完成时间，导致最后产品的加工精度和装配精度不高，运行调试时发现的问题没有时间调整和修改。教师在这个阶段要勤加督促指导，按照任务进度表做好节点考核和跟进，掌握学生项目进展滞后的具体原因，发现问题及时解决。

图3 是学生们在实验室进行产品制作的情景，通过项目的实施，学生深刻体会到了理论知识和实践结合的重要性，正所谓“看时容易做时难”，有些设计最初感觉合理，到了制作装配时却发现了漏洞和不足，学生们往往在制作环节上会发现比当初设计更巧妙的解决方法，学生们虽然感觉实物制作过程中很辛苦，加工装配时都遇到了不少困难，但大家都深刻体会到了设计本质上就是一个从理论到实践，然后再到理论的这一过程，这其中只要有付出和思考就有收获，这个收获就是我们的实践能力和创造能力，这是任何的书本理论教学都不能给予的。

图3 仿生项目产品制作

2.4 项目考核评价

基于项目的实验教学考核是对学生设计过程中表现出来的综合能力进行评价，具体包括以下几方面内容:

(1)学习能力。即面对工程问题时能及时有效地获取相关知识，并灵活运用理论知识解决复杂工程问题的能力。

(2)执行能力。即独立完成项目，熟练使用工具设备来完成产品制造的能力，能熟练使用实验设备，设计实验方法对研究工作中存在的问题进行验证的能力。

表2 项目考核办法

(3)职业能力。即顺畅的沟通表达、积极认真的工作态度、良好的团队协作能力等。

基于以上方面，在项目考核时，要注重定量与定性，将个人与小组，自我与他人评价相结合，表2 中列出了具体的成绩评定办法。考核中比较重要的一个环节就是成果展示和项目验收，通过小组之间的横向对比，结合专家评委的意见，可以进一步研究探索存在的问题以及优化改进的措施。评价的主体由任课教师、实验教师、学科中有多年工作经验的教授、学校督导团专家等组成。每个小组同学准备PPT，经过自述、提问、答辩、实物演示和评委点评等环节来表现自己对项目的认识程度和当场论证项目的能力，同时这也是一个增长知识，交流信息的过程。学生一方面就项目设计中存在的薄弱环节和不足之处同现场专家进行探讨，得到不同程度的帮助，另一方面也得到了一次展示自己勇气、雄心、智慧、风度和口才的大好机会，这对将来从事公司的岗位工作是非常有帮助的。

3 基于仿生项目的机械设计学实验教学实施效果

基于项目的实验教学极大地改变了传统的实验教学模式，运用教师与学生合作的“双主”方式，即教师关键指导，学生自我训练为主，使教师的角色从传统的信息提供者变为学生求知过程中的合作者与引导着，引导学生主动查阅资料，扩展相关理论知识。项目实验教学将实验课变为学生进行科技活动的第二课堂，丰富了学生的业余生活，学生为了能在规定时间内完成项目，课下几乎都泡在实验室里，虽然少了往日的悠闲，但更多的是充实并快乐着。

教学实践中发现，这种类似工程项目形式的实验课程教学引起了学生的极大兴趣，每个小组为了成功完成自己的项目都做了大量的准备，包括查阅各种资料，熟悉实验平台，进行机构设计，这些活动潜移默化的强化了学生的自主意识，提高了学生对实验的认知度，锻炼了学生的综合素质。这种合作性的学习模式给与了学生充分思考、学习的个性化时间，不同知识和能力基础的学生能够充分发挥自己的个人特长，使培养的人才在整体能力全面提高的基础上，又各有自己的特色［18］。通过基于项目的实验教学，学生自主获取知识信息的能力、专业实践能力、交流协作能力、创新思维能力都得到了不同程度地提高，从而满足社会对不同岗位人才的需要，同时教师的业务水平也在教学活动中得到了提升。实践表明，这种实验教学模式已在高年级学生中收到了良好效果。机械设计专业学生的科技作品“健康节能饮水机”在第三届全国大学生机械创新设计大赛中获得了二等奖、“仿生螃蟹设计”获得2014 年全国大学生机械产品数字化设计大赛三等奖，“齿轮渐开线发生仪”获得2014 年河北省机械创新设计大赛特等奖、获得2014 年第六届全国大学生机械创新设计大赛二等奖，“仿生球形机器人设计”、“仿生海鳐设计”已向国家专利局分别申报了发明专利和实用新型专利等。

4 结语

基于项目的机械设计学实验教学开展两年以来，学生对课程的知识掌握程度和应用技能等方面都有较大的提高，它打破了传统的实验教学模式，在强调加强专业基础教育的同时，关注工程实践、强调综合创新能力。学生通过基于项目的实验教学，不仅加深了理论知识的理解，锻炼了动手操作技能，而且提升了交流、协作、自主学习、分析问题和解决问题等综合能力，培养了学生树立完成复杂工作的自信心和勇气。在攻克难关的过程中，学生的质量意识、安全意识、群体意识、创新意识等得到加强，在学生感受到成功喜悦的同时，综合素质得到了提高。对推动本科的教学改革有一定的实践意义。当然基于项目的教学模式还有很多问题值得我们去研究探索，比如是不是所有学科，所有内容均适合于基于项目的教学模式，如何保证学生在各课程中时间上的冲突问题都是我们要后续考虑的。

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