基于机械创新设计大赛的本科生工程能力培养＊

康嘉杰，杨义勇，岳 文，朱丽娜，付志强，校文超，唐云龙

（中国地质大学（北京）工程技术学院，北京100083）

1 引言

机械本科专业的核心为机械设计、制造与机械自动化，基础为高等数学、大学物理以及工程力学等，并且结合了计算机科学、自动化理论、通信与传感等多学科知识，具有较强的系统理论性和极强的指导性、实用性[1]。而在实际教学中，以课堂教学模式为主，理论学习多于实践，从一定程度上影响了机械专业本科生创新意识和实践工程能力的培养，未能将机械学科的特点充分发挥出来。随着中国产业经济的发展和国际竞争力提升，国家发展的不平衡性也逐渐得到缓解，但由于创新能力不够强引起的发展质量和经济效益不够高的问题依然存在[2-3]，对于具有自主创新工程能力的工科生需求也愈发强烈。

为全面提高中国工科学科本科生的创新能力和解决实际问题的工程能力，国家开展了大学生创新性实验计划、卓越工程师培养计划、2011 计划等一系列重大项目[4-5]。并且积极与国外接轨，加入国际本科工程学位互认协议《华盛顿协议》，由教育部对各高校进行OBE（Outcome-based Education）标准的工程专业认证和管理[6-7]。各高校也积极响应国家号召，结合自身学科特点和优势开展了关于课程、实践等方面的教学创新和改革。

通过创新设计产品去解决实际问题是培养机械专业本科生创新和工程能力的有效途径。中国地质大学（北京）工程技术学院机械专业合理地采用了这种教学方法，以首都高校机械创新设计大赛为实践平台及抓手，通过“基于传统，提出创新；结合实际，设定方案；理论运用，解决问题”的教学设计思路引导本科生运用机械设计理论创新设计产品，并取得了喜人的效果。

2 基于传统，提出创新

创新来源于生活，来源于实际，对于机械专业本科生来讲，设计一种具有全新结构的产品难度很大，而在对于现有产品结构足够了解之后，对于其所存缺陷进行的改进是最为切实可行的创新实践。秉持这样的教学思路，将本科生分组进行创新讨论和构思，在以“梦幻课堂”为主题的首都高校机械创新设计大赛中，学生结合实际教学过程中所遇到的实际问题，提出了多种创新性的想法。这其中，参赛作品“自主遥控式可选择性擦除无尘黑板”和“自动翻书机”获得了评委的一致好评，“自主遥控式可选择性擦除无尘黑板”获得了首都高校第七届机械创新设计大赛一等奖。

自主遥控式可选择性擦除无尘黑板的发明是创新来源于实际的最为直观的反应。在参赛过程中，教师指导该组学生对现有黑板擦及黑板的类型进行调研，这是基于传统；然后对所存在的弊端进行归纳，这是发现问题；最后根据这些弊端提出改进方案，这是提出创新。这样的指导思路将学生一步步引入到实际中，又激发他们从实际中发现问题，并提出解决途径，使得学生的创新能力得到提升，并且学生尝试运用各种所学专业知识去解决问题的过程，也是对其工程能力的极大锻炼。最终，该组学生通过调研总结了各式各样黑板擦和黑板的优缺点，发现具有自主控制功能的并可对黑板进行可选择性擦除的无尘黑板擦是极具应用前景的一种新型产品。

3 结合实际，设定方案

实现产品功能的方案和思路是多种多样的，这些方案和思路是建立在实际应用的机械模块和结构的基础上，并且最后综合多种不同结构才能得以实现。因此，学院教师在指导方案设计时首先引导学生拆分产品为多个单元，然后针对各个单元进行专项分析和设计，最后再依次搭配，筛选获取最优设计方案。在设计过程中，要求本科生参照实际的机械产品对每个机械单元列出两到三种机械结构或者模块，并对这些结构的优缺点进行总结，对其实际可行性进行验证分析，培养学生从实用性出发思考问题的方式。最后，对各个单元进行汇总，匹配得到多种设计方案。此时，需要要求学生从结构可靠性和便捷性、产品经济性等方面综合考虑，即零件应具有好的可靠性、简单的结构、便捷的操作和低的成本。在自主遥控式可选择性擦除无尘黑板设计方案中，该组学生首先进行机械结构单元划分：擦除单元、吸尘单元、控制单元和传动单元。然后根据各个单元的实现功能对各种实际机械结构进行选择，并汇总筛选得出了成熟可靠的产品总体结构，产品系统及结构分别如图1 和图2 所示。

图2 自主遥控式可选择性擦除无尘黑板三维结构示意图

4 理论运用，解决问题

当设计方案设定好后，就需要对产品系统的原理结构进行分析计算，包括各个单元系统参数的设计、零件结构材料的选择、系统核心原理的说明、零件校核等。这里就需要学生们充分运用机械设计、机械原理、机械制造、工程力学、机电控制等方面的理论知识去解决实际问题，进而提升学生们的工程能力。在每个计算和校核过程中，都需综合考虑产品的经济性、环保性和安全性。指导教师引导学生们按照“分项考虑，逐项递进”的设计思路进行，即安全第一，环保第二，经济第三，这对于培养学生较强的安全意识和环保意识具有重要意义。

通过一系列的计算校核后，学生们确定了自主遥控式可选择性擦除无尘黑板各个组件的数量、尺寸，设定了控制部分的电流、功率等，并对箱体、齿轮等零部件进行了选材。最终通过实际操作进行加工和组装，经调试后得到作品。

5 总结

只有通过亲自动手解决实际问题，才能使自身所学得以真正消化和发挥。中国地质大学（北京）工程技术学院通过“以赛代授、以赛促授”的教学模式使得机械专业本科生的创新能力和工程能力得到了极大提升。这种教学模式并不是简单地让学生解决问题，而是以“首都高校机械创新设计大赛”题目为指导，以成熟的设计思路去科学指导学生的创新设计，具有好的指导性和高效性，能够更加快速地使本科生建立起自主解决实际问题的工程能力。