以本科毕业设计指导提升学生创新能力研究

摘要：本科毕业设计活动是地方应用型高校教育必不可少的教学单元。毕业设计的创意含量是考核其作品质量的依据之一。如何发挥毕业设计内容广泛、方式方法丰富、实施机动灵活、师生互动的优势，指导学生在设计中保持适应性、执着性、开发性、多变性，顺利实现知识迁移，衍生出更多更好的知识、技能？本文以淮阴工学院机械与材料工程学院本科生的毕业设计为背景，阐述指导学生毕业设计的创新要旨，在创新方面的着力点，明确调动学生毕业设计创新的积极因素，从而给出了具有一定参考价值的答案。

关键词：本科毕业设计；创新能力；过程装备

淮阴工学院机械与材料工程学院现有机械设计制造及其自动化、机械电子工程、金属材料工程、机器人工程和过程装备及控制工程（3+2）五个专业。为了确保实现提高学生创新能力的教学目标，学院投入一定的师资力量、时间和精力，指导即将毕业的学生进行这一特殊形式的教学实践活动。

1指导学生本科毕业设计的要旨

把创新贯穿于学生毕业设计的全过程，形成从知识到创新的循环，是提升学生创新能力的必由之路。大学生参与本科毕业设计活动的本质是进行新的尝试，激发学生科研创新的活力。目前机械行业转型升级提速、大量新技术应运而生，附着了许多需要配套解决的矛盾、疑难问题。本科毕业设计课题向解决工业生产第一线产品开发、技术改造倾斜势在必行。学院尽量选取适合教学内容又贴近生产的项目，把生产企业某些待开发项目分解为一个个单独部分作为学生设计课题，把研究项目孵化为企业生产流水线直接的或间接的实物或技术[1]。指导学生从毕业设计中接受许多课堂上没有学到的知识和新鲜信息，接触到许多与现时生产相联系的事项，遭遇许多偶然的、个别的现象，切身体验应用型项目的实在性、生动性、趣味性。学生处于主动、积极、紧张的精神状态，确立了“一切皆有可能”的意念，观察事物有新角度，动手操作有新点子，所学知识形成新能量，努力跨越各种技术上的沟壑，高效率地完成设计任务。

2指导学生毕业设计在创新方面下功夫

2.1启迪学生发现问题

创新可以是对原有物品、方法进行发展和改造，在旧物体上增加、减少、更替部分零部件或在旧方法上调整某些顺序、要领或手段，赋予其新的属性。在毕业设计中创新，要善于以敏锐的眼光仔细观察旧物体、旧方法，找到其缺点，然后以此为切入点“对症下药”。毫不夸张地说，发现问题比处理问题更重要、更难。例如：研究射流引风机的能耗课题[2]。建议学生了解市面上流行的同类产品的技术信息，以怀疑、批判的眼光对网上反映的射流引风机的情况进行比较考证。学生照办以后，感到要想结构合理，不如选取效率最高的R+S型风机结构，要想风机叶轮运行效率最佳，不如选取LS叶型，要想提升风机效率，不如选取扩散型扩散筒；在风机位置上，近壁射流因有后壁阻碍了风机吸风而使其效率低于自由射流，风机工作时的俯仰状态不调节到最佳角度，以及风机与风场的距离太远都可能会消耗能源，从而制订趋利避害的设计方案。又例如：模拟水力旋流器非牛顿流场课题[3]。指导教师首肯学生在调研中发现：许多研究人员对水力旋流器研究局限于清水介质（牛顿流体），形成了水力旋流器应用于高粘度介质（非牛顿流体）分离作业的瓶颈。要求学生籍此建立三维立体模型，模拟不同介质黏性及流变性对流场的影响，为进一步研发适用于各种复杂工况的水力旋流器结构提供依据。

2.2策动学生解决问题

以发散性思维寻找事物的关键因素，梳理、整合相关关系，解除各种纠葛、死结，达到某一目的。因为学生毕业设计属于务虚创作，即使设计错了也不会有很多实物损耗，所以倡导学生把创新摆在第一位，在设计中标新立异，彰显个性、特色。例如：板式换热器热力设计课题。在选择材料上，指导教师提示学生，教材上介绍的选择方法，与预设条件不一定匹配，要在彼此数量关系上找到计算转换点。学生基于板片是换热器最重要的传热单元，在材料初温、终温、压力等约束条件下，根据加热侧和不加热侧材料的雷诺数（Re）和努塞尔数（Nu）计算，选定了厚度为0.7mm压缩成人字形波形的不锈钢板。板式换热器中通常采用固-水换热方法，学生则在文献中看到、并决定在设计中采用水-煤油方法换热。指导教师支持学生自加难度，同时提出上述设计合理与否，要进行验证。学生为此测算了所设计项目的对流换热系数、总热交换系数、压降、两相流阻力以及换热量，以计算结果予以证实。制作换热器整体三维模型，指导教师以“在实体的集合上部分之和等于整体”的说法引导学生，学生采用“化零为整”的设计思路，分别制作了各种零件的模型，组装成板式结构、连接法兰、板换等部件模型，最后将其再综合组装成预先设定的整体模型。又例如：叶片泵水力设计课题。指导教师跟踪学生的设计进度，不断激发学生的想象力、联想力。学生充分了解泵的分类、工作原理与基本结构，遵循给定的设计物理量参数，计算轴流泵的主要水力部件叶轮的流量、扬程、功率（效率）、转速、汽蚀余量等参数和导叶的开度、频率等参数，计算泵运行时体内液体的位能、动能、压能指标，进而设计出液体从泵的吸水池经过过流部件输送到预定高度又在额定压力范围内的泵的内在品质与外观形态。

2.3强化学生分析能力

有些学生的毕业设计项目是建立某一设备模型、机械动态模型或流程模型，对其运行指标体系进行分析。在研究过程中，指导教师要善于让学生扬长避短，运用抽象思维和逻辑思维方法，孕育、探索新的可能性的思路，使关联部分有机聚合和勾稽，取得精确数据及其仿真云图，用以解释特定的物理现象。例如：研究肋片能质传递效率课题。学生根据能量守恒定律推导微元体的导热微分方程及其传热效率的理论解，针对已知铝质矩形直肋长度、宽度、高度的几何参数，计算其端部温度、肋片的热效率、肋端热通量，分析其对能质传递效率的影响，指导教师逐项评估学生分析得如何，指出未到位、未透彻之处，使其补救加工。学生结合ANSYS仿真软件热力学模块协同运行，在表面流体换热系数不变的环境下建立三种不同几何参数的矩形肋片模型，形成三种不同情况下肋根与肋端的温度对比图、整体温度分布云图以及热通量分布云图。指导教师审视学生检查比对，理论计算和数字仿真两种不同的方法下得到的结果，如果误差在可接受的范围内则判断计算结果基本正确。又例如：球罐安全生产设计课题。学生将stp模型导入到ANSYS有限元仿真实验方法软件。指导教师提出模拟球罐在静载荷、风载荷、静载荷与风载荷叠加、地震载荷作用下的受力情况。学生遵嘱实施，分别得到其位移云图、应变云图、Mises应力云图以及球罐结构的最大应力、应变、位移、变形等数值，通过设计参数和实际运行参数比对，分析球罐整体和主要部件材料强度是否符合标准，材料的变形是否在允许的范围内，判断球罐性能如何、连接结构是否合理、缝隙焊接质量是否可靠，对于揭露的风险点、危险点，由学生斟酌给出合理的建议或对策。

2.4提高学生理性认识

做好毕业设计仅仅是学生完成了该项目一半的作业量，更重要的部分是由设计人撰写毕业设计说明书（论文），把感性认识上升到理性认识的高度。指导教师指导学生毕业设计和撰写论文，要使两者并驾齐驱，不可偏颇。由于学生第一次撰写篇幅长、内容多、格式规范、质量要求高的文字材料，指导教师要把辅导工作做得扎实一点、细一点。例如：板式换热器热力设计及研究课题。指导教师要审查学生拟写的提纲，只要框架（论文体系）搭好了，论文就可以沿着思绪写下去。框架可以有绪论；板片式换热器的基本构造；板片式换热器的性能特点；板片式换热器热力设计及其计算；结构设计及强度校核；板片式换热器的结构模型设计；结论。论文采纳素材的形式可以多样，如文字阐述、公式、表格、简图、模型结构图、坐标曲线图、摄影、图画等，以便全面地透彻地说明问题。要求学生在论文中突出自己主攻的一、二个科技因子，充分体现本人独特的见解和项目的创新点。倡导学生完成每一阶段的设计后，总结其研究心得，撰写其文字材料，达到理论和实践信息快速互通互动；也可以按照自己的思维习惯先做设计，再写论文，或者先写论文，再做设计。

2.5完善学生知性思维

学生依赖于普通形式逻辑的思维规则所进行的知性思维，将学习悟性、实践灵性和创造理性结合起来，制作出令人满意的毕业设计成果。逻辑思维稍不严谨，毕业设计就会出现瑕疵。即使学生的逻辑思维没有问题，但是好的逻辑思维是无止境的，所以要不断追求更高级、更完美的逻辑思维。在毕业设计活动的论文答辩阶段，知识渊博、老成历练的答辩组教师同学生面对面讨论设计课题，学生的知性思维更加缜密、活跃，能够较好地看到毕业设计项目的价值，找出课题研究中存在的问题，感觉到自己暂时想不到的原因。例如：研究射流引风机的能耗课题[3]。学生觉得射流引风机的俯仰角对其能耗影响很大，在设计中分别增加了0°、5°、10°、15°、20°俯仰角度的设置和模拟。教师提议，可以尝试做更多角度的模拟，随机增大角度，或者随机缩小角度，模拟结果能耗降低是正值，能耗上升是负值；也可以做大幅的密集的样本调查，把每一次的模拟记录下来，当数据出现驼峰曲线的时候，说明存在一个最高点，这个最高点附近范围就是最佳俯仰角度的工况。又例如：研究肋片能质传递效率课题。学生针对肋片这一具体研究对象，依据教材知识推导出了其直角坐标系下的导热微分方程。教师看到学生对数理知识的钻劲不错，建议他深入研究：假设一维坐标系，在给定肋根和肋端的边界条件下，可以对导热微分方程进行近似简化，计算得出包含变参量（由形状长宽比及材料导热率决定）的理论解析解，绘制理论解析图表；再进一步向更高层次冲击，在教材编印、教学上只讲解了一维模型的基础上，推导肋片二维理论的理论解析公式，设计平面的ANSYS模拟实验。

3调动学生毕业创新设计的积极因素

3.1学生自身积累知识的爆发力

学生关键时刻能否早一点、多一些发现问题，解决问题有多大的胜算，取决于平时积累多少知识。早在毕业设计之前，教师就告诉学生牛顿关于“站在巨人肩膀上”的至理名言，激励学生发扬蜜蜂采花和燕子垒窝的勤奋精神，除了学好必修和选修学科的基础知识和专业知识外，还要经常翻阅课外读物、加强相关信息交流和收集各种资料。随着日积月累，形成一个有相当容量的知识“蓄水池”。那么毕业设计时所需用的知识学生可以信手拈来，针对性地理解及运用知识，将新意图演化为毕业设计的主体。萌生出一个主意，又接二连三萌生出别的主意，就能优中选优。一旦方案实施夭折，立刻就有备用方案替补。总而言之，学生应知尽知、应会尽会，就能应享尽享，何愁不能取得优异的成绩？

3.2教师团队开展教学工作的契合力

毕业设计项目必然是不同学科领域知识的汇集。学生的毕业设计不仅与指导教师的辅导有关，而且与所有任课教师的教学有关。历任教师的授课无形之中构成了教学链，学生的毕业设计成果凝聚了所有教师的大局意识、服务精神、协作精神和含辛茹苦教学的付出。教师教学要同心协力，在一切教学活动中授予学生“渔”、“罗盘”，让他们学会观察、解决本专业实际问题的方法，在知识上、能力上和创造性上大幅长进。虽然不同学科教师的教学资源各有天地，但是教学原则、策略、形态、方案等都恪守共同约定，实现深度的教学融合。大家在教学中不分彼此或不必界限太清，就某些问题与学生与毕业设计联系起来，为学生开展毕业设计早做思想、学术和实践准备。在学生进行毕业设计过程中，遇到涉及某学科知识问题求教，任教教师不拘泥于职责权限，满腔热忱地解答学生专项咨询。

3.3参与科创竞赛对学生的影响力

每年教育系统都会安排高校本科一至三年级的学生开展各种类型的机械类科创竞赛。因为国赛都是从校赛、市赛、省赛选拔的，所以有一定的覆盖面。学生在动手动脑之际，进行工具性学习、转化性学习、沟通性学习，完成了知识交叉与融会贯通的认知建构，能够摆脱书本知识的束缚，紧跟代表某科技领域发展趋势，将学科前沿的新观念、新方法付诸实践。在竞赛现场，与竞赛对手进行知识与知识的较量，智力与智力的比拼，迸发了强烈的创新欲望和创新潜能，产生的灵感比平时的要好得多；与竞赛对手互动，观摩、切磋、分享他们的经验，从他物、他人技巧中获得深刻的感化，并察觉、纠正自己的薄弱环节。亲身经历竞赛的学生提高了学术自信，吸收了大量、生动的设计资源，为在未来毕业设计中超常发挥奠定基础。还可以在参赛项目中挖掘课题，进行再加工、再创新、再发展，使毕业设计成果更加卓越。

结语

以科学研究的方式组织学生的毕业设计活动，坚持导向、导思、导练、导趣，在处置要害问题时做到前有孕育、中有突破，后有发展。指导教师的辅导，未必是张扬的说教、专门的仪式，而应渗入于平凡的专业交流的言语和行为之中，但是必须坚守的规则是“只指路、不带路”。

参考文献：

[1]孟俊贞，王香涵，王鹏举.双一流背景下提高本科毕业论文（设计）质量的探索[J].大学教育，2021（09）：45-48.

[2]吴珂，方飞龙，朱凯，等.基于FLUENT的隧道射流风机最佳安装倾斜角研究[J].风机技术，2014（6）：17-21.

[3]梁政，杨琳，任连城.水力旋流器非牛顿流场理论研究[M].北京：科学出版社，2014.

基金项目：江苏省力学教育教学研究课题“地方应用型高校机械类专业理论力学课程教学改革与探索”（2024jslxjy102）；江苏省教育科学规划专项课题“现代产业学院建设背景下地方高校应用型人才培养模式改革与质量提升研究”（C/2023/01/29）

作者简介：朱坎（1986—），男，汉族，江苏扬州人，博士，讲师，研究方向：流体力学与流体机械；杨权权（1984—），男，汉族，江苏淮安人，博士，教授，研究方向为固体力学与高等教育教学改革。