机械类专业教育创新与实践

机械类专业教育创新与实践

洛阳工业高等专科学校     张永安   

   党的十六大报告指出：教育是发展科学技术和培养人才的基础，在现代化建设中具有先导性全局性作用，必须摆在优先发展的战略地位。在世界进入知识经济的时代，创新是一个国家国民经济可持续发展的基石，创新能力的大小已成为决定一个国家综合国力强弱的重要因素。在高等教育中如何培养学生的创新思维，提高创造能力是教育改革的一项重要任务。长期以来，我们在机械类专业教育创新方面进行了可贵的探索，做了大量的工作，同时也取得了较显著的成绩。

   一、漫长的改革之路

   机械类专业的教育改革与其它改革工作一样，不是一蹴而就就能达到的，而是一个逐步认识，勇于探索，大胆实践，不断深化，长期坚持的过程。早在18年前，我们就开始对我国的机械设计教学工作进行反思，在第二届全国机械原理教学经验交流会上提出，我国的机械原理课程教学存在着“重分析、轻综合、重理论、轻实践”的现象，其课程设计脱离生产实际，学生不会搞整机运动方案设计。我国的机械零件课程内容和课程设计与机械原理脱节。机械原理中的连杆、凸轮、齿轮三大常用机构，到机械零件中只有传动机构了。机械原理课程设计搞运动分析和动力分析，而机械零件课程设计搞减速器设计，使学生搞不清这两门课程的关系，从而贻误了学生。而毕业设计首先是下工厂收集图纸资料，把没有参考图纸就不能设计看成是天经地义的事情，因而大部分的毕业设计仅是抄图加强度校核。由于在整个学习阶段学生没有完成从方案设计到工作能力设计，从运动原理图设计到装配图和零件图设计的全过程的训练，因而学生并不具备全面的机器设计能力，更不要说具有产品开发等创新设计能力了。只有在以后的工作中经过较长时间的摸索才能掌握这些能力，延缓了创新性人才的成长过程。当然这种现象与当时我国计划经济体制，许多工厂长期产品几十年一贯制有关。由于我们有了以上认识，所以我们的教育改革首先从教学内容上进行改革，提出以设计为中心选择教学内容，以设计的顺序安排教学进程，加强课程设计实践环节，提出以两种或两种以上执行运动（其中至少有一种为非回转运动）的较复杂机器设计全过程的训练作为课程设计的内容。为此我们编写并出版了作为工程专科规划教材的课程设计指导书，提出了机器方案设计的功能原理，从而打破了所谓的机器方案设计无规律可循的说法。为了能使学生由运动原理图画出装配图，我们提出了画机构三维空间布置图的方法。这样我们就把机械原理和机械零件两门课程及其课程设计联系起来。初步完成了较复杂机器设计全过程的训练。为学生毕业设计抛开参考图搞创新设计打下了良好的基础，为市场机制下工厂产品结构调整提供了合格的人才。与此同时，我们也加强了计算机应用教学，并开设了发明创造原理选修课，使学生掌握了先进的设计工具，提高了创新思维能力，起到了如虎添翼的作用。

   为了培养学生的创新能力，提高学生的动手能力，同时也可以验证学生的运动设计的正确性和为学生的结构设计建立空间概念。我们在89年开展了设计制作活动，这种活动以第二课堂形式出现，最早是用玩具电机和玩具齿轮制作电动玩具开始的，然后演变成制作电动机器模型和小发明小制作活动。由于这一活动新鲜、生动、富有挑战性，大大激发了学生的创造激情，有的学生甚至达到了废寝忘食，夜以继日的程度，我们不失时机地从96年开始正式将这一活动列入教学计划，规定在机械原理课程设计后每人必须完成一件作品。正因为如此，我校在省大学生科技作品大赛中连连获奖，曾取得过全省第六的好成绩。

　　上述的教改活动，获得了许多兄弟院校和专家的好评，我们曾三次应邀参加本科机械原理教学指导小组扩大会议，介绍我们的教改经验并传观学生的作品。时任全国机械原理教学指导小组组长、西安交大来虔教授93年6月5日曾来信：“际此商贵教贱之秋，有您们一大批坚持教学改革的老师们，中国是会有希望的，谨致敬意！”使我们深受鼓舞。我校于89年和93年分别获得省级优秀教学成果二等奖，93年获得中国高等教育学会高教科研成果奖。

   由于我们在机械原理、机械零件课程教学改革中使学生获得了整机设计全过程的训练，这样就为学生毕业设计时进行创新设计奠定了良好的基础。众所周知，机械类专业学生的能力主要是设计能力和制造能力，如何在短短的三年中让学生在这两方面得到实践和锻炼，确实又是一个比较大的难题。好在我们已在学生大二期间完成了设计全过程的训练，学生在大一期间进行过金工实习，于是在98年我们开始了毕业设计的教学改革试验：抽调部分学习比较优秀、动手能力强的学生在大三一开始就进行毕业设计。在有经验的教师指导下，利用课余和毕业设计时间进行双腔双动颚颚式破碎机的新产品开发，经过运动设计、机构优化设计、机构空间布置设计、结构设计、工作能力设计，直至完成装配图和全部零件图设计。然后在指导教师的带领下，到学校校办工厂，由学生编制加工工艺，操作各种机床、电焊机等进行加工，最后进行装配和调试，终于在毕业前完成了SDE-250型双腔双动颚颚式碎机的样机。这是一种双动颚交替工作的新型破碎机，比原来的单臂破碎机提高工效一倍，且能降低磨损，延长使用寿命。在第七届全国大学生挑战杯竞赛中获得二等奖，是我省所获两项二等奖之一。这项毕业设计实验无疑使学生的设计和制造能力得到极大的提高。学校也因此拨专款，给我们建立了一个小型机械加工实验室。但是要把全部零件加工出来，耗资耗时太大，这项试验不可能全面铺开，只好另辟新径。

　　随着信息技术的发展和推广，用信息技术改造传统产业的时代已经到来，我们的教学改革也必须适应这种形势，为国家培养急需的复合型人。2001年我们瞄准了新的目标开始了新的一轮试验。这时学校在各系全面开展挑战杯竞赛，建立了学生科技发明协会，成立了专门的学生科技发明制作指导委员会，制定了促进科技发明的一系列政策，给我们创造了良好的条件和学术氛围。我们选择了机电一体化、光机电、气机电等综合性产品作为科技制作课题，将学生分组进行科技发明制作，还和其它相关专业的学生进行合作。在选择好题目后，先进行方案设计，绘出设计简图，然后进行机械加工，组装出机器模型。简单的程序控制或手动控制由学生自己完成，数控或遥控部分则由机电一体化专业或自动化专业学生完成。我们选出比较好的具有开发意义的作品，组织学生进行毕业设计。毕业设计要求同组学生除完成方案设计、简图设计和机构布置图设计等共同的设计任务外，每人要独立完成各自的部件装配图设计和零件图设计。这样既可锻炼学生的团队协作精神，又能完成全部的设计任务。我们已经开展了两轮这样的活动，学生分别做出了绘图仪、机器蛇、多工位气动加工机床、气动遥控多功能叉车、气动线控装载机、太阳能遥控汽车，以及二、三、四、五、六自由度工业机器人等模型。在学校举办的挑战杯竞赛活动中展示，受到了广泛的赞誉。

    二、教学创新的基本思路

    经过18年的探索与实践，我们在机械类学生创新能力的培养方面摸索出了一套独特的方法，其基本思路是：通过机械原理、机械零件课程教学改革、创新教育和较复杂机器完整设计过程的训练，为学生设计创新打下坚实的基础；以设计制作为手段，以学生创新能力和工程实践能力的培养为核心，以学生具有产品开发能力为重点，以学生综合素质的提高为目标，通过科技制作和毕业设计的训练，为国家培养出急需的复合型、开发型人才。

　　设计制作是学生的重要实践环节，是我们培养学生创新能力和工程实践能力的行之有效的手段。通过学生自己选题，自己设计，自己制作，自己调试，极大地激发了学生的创造激情和对专业的热爱，增强了同学们毕业后为祖国建设事业作出贡献的自信心。多年来，设计制作在探索中历经演变，在深度和广度上不断发展，已形成多层次、多阶段的应用模式，可归纳为三种方式：

    １、第一种方式——设计制作课

　　最早的设计制作是作为第二课堂活动，后纳入正规教学计划，一直延续到现在。设计制作课在机械原理课程设计后进行，要求每个学生根据所设计的传动系统图，制作出具有两个以上复杂配合运动（其中至少有一个为非回转运动）的电动机器模型。学生可以根据机械原理课程设计的题目制作，更鼓励大家自己创造。这种方式主要服务于教学改革，受到许多专家的好评。

2、第二种方式——机械制作作为毕业设计的组成部分

机械制作进入毕业设计，在正常的毕业设计时间内难以完成，因此指导教师采取了将毕业设计提前一个学期，利用平时业余时间进行的方式。这种方式要经过图纸设计、编制加工工艺、加工制作三个过程。学生经历了一台机器从设计到加工制造的全过程。在这个过程中，设计能力、加工制造能力受到了系统的训练，增强了学生的工程意识和创造能力。

    3、第三种方式——参与大学生科技制作活动

　　我们积极组织学生参加我校开展的大学生挑战杯竞赛活动，许多教师参与了科技制作活动的指导。大学生科技制作活动是利用业余时间进行的，这种方式最为明显的特征是选题水平高，选题涉及到多种学科，科技含量高，突出了创造性。科技制作要求学生独立完成构思、方案确定、图纸设计、加工制作和调试等，各项工作都具有开拓性，尤其是构思和方案确定更具创造性。作品一般都做成机器模型，对于有价值的作品，再通过毕业设计，绘出全部图纸。这种方式耗资耗时少，便于推广，并能使学生学到科技创新方法，为学生创造性思维的发挥和工程实践能力的培养提供了一个广阔的空间。

　　三、教育创新的主要特色

　　１、找到了理论联系实际的结合点，强化了学生的工程意识，培养了学生的创新能力。

    怎样将理论知识与生产实际结合起来，一直是全国工科院校教学改革的难点，经过多年的探索，我们确立了以模型制作为结合点的模式，这种方式在全国独树一帜。学生根据自己的兴趣或教师的指导，把自己构思的机电系统模型制作出来，实现了理论与实践的结合。这样激发了学生的创造思维，锻炼了实践动手能力，强化了工程意识，较好地解决了这个问题。

　　２、通过课程教学改革，解决了我国目前各校存在的机械原理与机械零件课程脱节的问题，使学生的设计能力由减速器设计扩展到常用机械的整机设计，适应了市场经济对开发性人才的需求。这个问题是我国机械设计教学中长期存在的痼疾，可归结为三个方面：（1）机械原理课程设计不搞运动设计，有些学校甚至至今不搞课程设计。（2）机械原理中的三大常用机构及其他常用机构，到机械零件中却只有回转传动机构的结构设计和工作能力设计，其他机构的结构设计和工作能力设计就没有了，因此机械原理课程中的凸轮、连杆及其它常用机构不能学以致用，机械零件也只能百年一贯制地搞减速器设计了。（3）没有教会学生怎样从运动原理图绘制装配图，因此设计离不开参考图纸。这三个问题不解决，培养学生的创造性设计就无从谈起，我们强烈呼吁机械设计教育工作者不能再因循守旧,不能再贻误学生了。

　　３、培养了学生产品设计和制造的综合能力

　　学生在设计制作中，不但自己画图，还要自己加工，自己装配，自己试车。这样我们的毕业生受到了从设计到制造直至试车的全过程训练，他们将更快、更好的适应生产实际工作，敢于创造，勇于革新。这种培养学生产品设计制造综合能力的独特模式，必将对工程专科应用型人才的培养产生较大的促进作用。

　　４、探索出科技制作向高科技发展的道路,促进了学校科研水平的提高

　　随着科学技术的不断发展和工厂对复合型人才的需求，我们的选题也向高科技跨学科方向发展，将机械与自动控制、计算机技术、遥控技术等结合起来，机电一体化作品、光机电作品、气（液）机电作品已成为我们科技制作作品的主流。作品的科技含量越来越高，作品的运动状态越来越复杂，作品的精细程度也愈益增高。同时也促进了其它专业的科技制作，提高了学校的科研水平。

5、学生的精神面貌发生变化，综合素质愈益提高

由于作品涉及面广、要求高、时间短、工作量大、技术问题多，学生面对如此之多的未知领域，不得不加强学习和钻研，自学能力得以提高，拼搏精神、坚忍不拔的毅力、团队协作精神、精益求精的作风、克服困难的勇气无不处处显现。

    6、培养了一批从事教育创新的师资队伍

    提高教师的创新意识和创新能力是提高教育创新的关键。在设计制作的推动下，我们在创新教育方面已形成一支知识结构合理、老少搭配的梯队。老教师的经验丰富，发挥传帮带的作用。青年教师富有朝气和多样性的知识结构，给设计制作和发明创造注入了新的活力。

    四、展望未来

    我们通过课程教学改革和科技制作，提高学生创新能力的活动取得了较好的成绩，这和学校的大力支持是分不开的。最近学校又制定了一系列有利于科技创新的政策，将会有更多的老师参加学生科技制作的指导，越来越多的学生将成为这项活动的受益者。江泽民主席曾指出：创新是一个民族进步的灵魂，是一个国家兴旺发达的不竭动力。作为一个肩负高等教育重任的学校，注重培养创新能力，全面提高学生的科学文化素质和思想道德素质，是我们义不容辞的责任。我们希望通过教育创新论坛，将我国教育创新活动推向一个更高更新的领地，培养出更多更好的开拓性人才。