培养创新能力的机械设计基础课程改革

王莉静　李建军　尤洪岭

摘要 《机械设计基础》课程主要由课堂教学、实验和课程设计教学方法组成。首先，对于目前课程中存在不利于培养学生创新能力的问题进行了综合分析；其次，基于TRIZ，结合本课程特点对《机械设计基础》课程提出具体的改革措施；最后，经过近两年的实践，取得了良好的效果，验证该改革措施是行之有效的。

关键词 机械设计基础；创新能力：TRIZ理论

中图分类号 G642.0

文献标识码 A

文章编号 1005-4634（2012）05-0081-03

0 引言

《机械设计基础》是天津城市建设学院非机类专业学生所学的一门专业基础课，主要研究机械的常用机构和通用零件的工作原理、结构特点、基本设计理论和计算方法，具有较强的理论性、实践性和应用性。现代社会需要具有创新能力的人才，所以结合天津城市建设学院非机类专业特点，并针对本课程特点，提出具体的改革方式来加强学生创新能力的培养。

1 《机械设计基础》课程中存在的问题

《机械设计基础》课程通常采用课堂教学、实验和课程设计方式实施教学。如今的教学中存在以下问题。

1）教学内容多，课时少；

2）教学模式比较陈旧，现代教育手段得不到正确使用；

3）学生的自主性和创新性差；

4）实验教学环节重理论、轻实践；

5）学生对课程设计的重视度不够、依赖性强，无创新性。

总体而言，现在的学生会背书、有技能，但缺乏创新能力。因此，在《机械设计基础》课程教学中，培养学生掌握设计的基本原理和最新方法，还应注重培养学生的创新能力。创新思维的探索在国内外从没有停止过，并已取得许多可喜的成果，如试错法、头脑风暴法、形态分析法、焦点对象法、多角度思考法、检核表法等。但上述创新方法基本以心理机制为基础，且逻辑性不严密。TRIZ是前苏联G.enrich S.Altshuller和他的同事，经过50多年对数以万计的专利文献和自然科学知识进行研究、整理和归纳，最终建立的一整套系统化的、实用的、解决发明问题的理论和方法体系。TRIZ理论的原理、法则、程序、步骤、措施等，来源于人类长期探索与改造自然的实践经验的总结，具有严密的逻辑性，而且应用的有效性较高。ZLOTIN把知识从0级到4级分为了5个等级（0级最低，4级最高），不同级别的知识可以用于解决不同级别的问题，如表1所示。使用TRIZ理论解决问题时，其步骤如图1所示。

2 《机械设计基础》课程改革措施

充分考虑天津城市建设学院教学的实际情况和本课程特点，基于TRIZ，对《机械设计基础》课程提出具体的改革措施。

1）优化教学内容，构建培养创新能力的教学体系。（1）选取来源于现实生活的教学素材，并使教学内容贴近非机类各专业方向；（2）传统和现代技术手段相结合，注重教师的引导作用，采用学生的融入式教学；（3）融入TRIZ理论，如讲解齿轮机构在当今国内外的发展状况时，引导学生采用TRIZ理论中40个发明原理中的问题模型进行分析：应用最广的是直齿渐开线齿轮，但其寿命短、承载能力有限。因此，人们尝试在同样厚度的齿轮上，增加接触线长度的斜齿，即斜齿轮。但斜齿轮在传动过程中，易产生对传动系统不利的轴向分力，所以，诞生了人字齿轮，可是人字齿轮的加工复杂。同时，讲解齿轮机构的设计及其在生活中的应用时，穿插TRIZ理论及其有关的创新实例，并让学生在课堂及课后应用TRIZ理论进行思考，启发学生在原有基础上不同角度的创新。

2）优化实验内容，培养学生创新能力。（1）组织学生拆装与专业相关的机器，为学习专业课打下良好基础；（2）开设创新性和综合性实验…，如机构创意设计实验，主要对常见的机构进行创意组合，由学生自己设计机构用途和机构简图，再根据其机构简图搭建机构，并分析其合理性。在实验中，学生可使用TRIZ理论中的合并、分割、嵌套、替代等发明原理，解决设计的机构如何达到机构功能的要求；（3）从各自专业出发，鼓励学生构想出一些新的机构、机器或对现有机器的不合理部分提出改革设想，然后进行设计并付诸实施。

3）改革课程设计的教学模式，加强学生创新设计能力的培养。（1）组成兴趣设计小组，让学生在设计过程中对现有的问题提出创新性解决方案；（2）TRIZ理论中的39个标准工程参数与机械产品有着非常密切的关系，所以，课程设计中要以学生为主，教师只起指导作用，引导学生将TRIZ理论中的39个标准工程参数应用到课程设计中，为以后的实践性工作打下基础；（3）重视答辩。

4）构建第二课堂，培养学生的创新能力。结合专业优势，鼓励学生积极参与教师课题和各级挑战杯及创新大赛。（1）参与教师课题，使学生接触学术发展的尖端知识，并增加他们的求知欲和探索欲；（2）对于各种竞赛活动，采用自主研究模式，即由教师指导学生应用TRIZ理论提出问题和解决问题，搜集资料制定研究计划，最后提交研究成果（论文或生产成品）。自始至终，指导教师不应直接参与其中，更不应把自己的观点强加给学生，只在必要时给予一定的技术指导。

在参加天津市高校第二届机械创新设计大赛的时候，学生提出问题：出门需带东西多时，只有拉杆箱和塑料袋为伴，可是塑料袋提东西重了手会疼，拉杆箱拖东西轻松，但是不方便携带。这个问题属于TRIZ理论中的物理冲突，即为了实现某种功能，一个子系统或元件应具有一种特性，但是同时出现了与该特性相反的特性。现在要求既能载重物，又要携带方便。在TRIZ理论中，Mann曾经提出：解决物理冲突的分离原理与解决技术冲突的发明原理之间存在关系，对于一条分离原理，可以有多条发明原理与之对应，如表2所示。

所以，上述问题属于时间分离，根据表2中的发明原理15动态化：使一个物体或其环境在操作的每一个阶段自动调整，以达到优化的性能。按照此原理，学生设计了多功能小拖车，铝合金材料，折叠前尺寸为95×35cm，折叠后尺寸为40×35cm，如图2所示。小拖车功能如下：

（1）拉杆的伸缩设计（如图3）。伸缩设计可自由调节拉杆长度，当老人使用时，调节到拐杖的长度，用于老人暂时的站立休息；

（2）底板旋转设计（如图3）。底板沿水平面旋转90度与拉杆成一条直线，拖车可被折叠；

（3）底板腿的伸缩设计（如图4）。底板腿的伸缩设计使拖车折叠成小板凳，走路累的时候可以坐在上面休息。

3 结束语

将上述改革措施应用到天津城市建设学院各专业的《机械设计基础》课程教学中，经过近两年的实践，取得了良好的效果。

1）充分调动了学生学习《机械设计基础》课程的积极性和求知欲，提高了教学质量；

2）提高了学生分析问题与解决问题的能力，为专业课程的学习打下了良好的基础；

3）推动了学生第二课堂的建设，充分发挥了第二课堂对学生素质培养的辅助作用，同时又为学生的创新成果提供了验证手段和平台；

4）培养了学生的现代工程意识，使学生在增加感性认识的同时，更能深刻了解工程实践，促进学生工程实践能力、创新能力等综合素质的培养和提高。