机械教学需要贯穿创新思维

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为了适应现代科学技术的迅速发展,机械设计在近30年来发生了相当大的变化,机械设计学科涌现出了许多新的前沿知识,一些新的设计理念与设计方法也不断涌现出来,时代也对高校的人才培养提出了新的更高的要求。为适应时展和科技进步的要求,需要在“机械设计”课程教学进行中加强对创新设计思维的培养。机械创新设计是一个极其重要而又困难的实践性较强的研究课题。目前创新设计方法研究虽然已取得一些成果,但创新学还处于发展初期,各种不同理论及工具不断涌现,远没有形成普遍可以接受的统一的理论体系。在此认为,要进行机械创新设计要有两个必要条件:一是充分获取适用的知识进行创新设计;二是要使用符合创新设计思维并能激发创新思维的设计系统。设计过程充满了矛盾,所获取的知识应有助于矛盾的迅速解决,这就要求知识获取工具紧密集成到设计过程中,因此要统一研究知识获取工具与设计系统。另外,人类的创新设计思维模式是在长期的成功设计经验中总结形成的,因此设计系统必需符合创新设计思维规律。

一、创新设计的概念

机械创新设计是指充分发挥设计者的创造力,利用人类已有的相关科学技术成果(包括理论、方法、技术、原理等),进行创新构思,设计出有新颖性、创造性、实用性的机构(结构)或机械产品(装置)的一种实践性活动,它是建立在现有机械设计理论基础上,吸收科技哲学、认识科学、思维科学、设计方法学、发明学、创造学等相关学科的有益成分,经过交叉而成的一种新的设计技术和方法。

二、创新设计

机械创新设计与常规机械设计相比,特别注重设计者在设计过程中,尤其是在总体方案结构设计阶段中的主导性及创造性作用,探索机构或机械产品创新发明的机理、模式和方法,具体描述机械产品创新设计过程,并将其清晰、准确地用工程图样等技术文件表达出来。机械创新设计的特点是:

(一)独特性应追求与前人、众人不同的方案,善于打破常规设计思维、惯例,提出新功能、新原理、新结构,在求异和突破中体现创新;这就涉及多种学科的交叉,这就要求学生对知识有全面的掌握如机械、液压、电力、气动、热力、电子、光电、电磁及控制等。

(二)实用性应从产品的市场适应性和可生产性两方面出发,设计产品的新功能、新结构,没有实用性的产品或无法加工的新结构都是纸上谈兵,不是真正的创新;这就要求学生在日常的生活中多观察和发现。

(三)多方案选优应从多方面、多角度、多层次寻求多种解决问题的方案,在多方案中求新、求异、选优。机械创新设计的目标是由所要求的机械功能出发,改进、完善现有机械或发明新机械,实现预期的功能,并使其具有良好的工作品质及经济性;这就要求在设计中要注意思维的扩散。根据不同的设计对象,必须对采取哪种创新设计方法做出比较和判断。创新设计方法通常可分为:开发设计、改型设计和变异设计3种。

1.开发设计。主要针对新研设备提出新的结构设计方案,完成从规划、方案、技术设计到加工、生产的全过程。新的产品的开发给人门带来了方便,提高了工作效率。

2.改型设计。在已有设备的基础上,针对原有的缺陷或新的工作要求,从工作原理、机构、结构、参数、尺寸等方面进行一定的改进设计,以提高设备质量、可靠性等,使设备满足新的工作要求。如在基本型设备的基础上,开发不同参数、尺寸或不同功能、性能的改型系列设备,就是改型设计的成果。这种设计有利于发展产品品种;有利于提高设计、生产效率,缩短交货期;有利于提高产品的质量和可靠性;使产品具有良好的可维护性等。例如内燃机增加增压器,以增大输出功率;增加节油器,以节约燃料。

3.变形设计。针对已有的先进设备或结构设计,进行深入分析,探索、掌握其关键技术,在消化、吸收的基础上,设计出同类型其它类似的创新设备。它的实现过程可以最大限度地重用企业已有的成熟产品资源,具有很强的灵活性和适应性,不但可以快速开发产品、响应市场,而且还可以极大地降低产品设计阶段的成本,是一种适应于大规模客户化定制生产模式的现代设计方法。变形设计有效地解决了大批量生产的低成本、短交货期与定制生产的高成本、长生产周期的统一问题`。例如将台式电风扇设计为落地式电风扇。开发设计以开创探索创新,改型设计通过改进创新,变形设计在吸取、消化中创新。

三、创新思维的概念

创新思维是人们在学习、生活、工作或问题解决过程所表现出来的能够产生新颖独创性产品与观念的一种思维方式。提高创新能力的根本是提高创新思维,是进行创新思维的培养和训练。创新思维不是逻辑推理的结果,而是非逻辑的。创新思维通常是通过类比、联想,从看起来毫不相关的事物中得到启示,跳跃式的想象出来的。四、创新思维对于学生学习完《机械设计》这门课程后,对于学生来说表现出的创新能力不一定是开发出对于这个世界来说新的机械。事实上,学生每天都在创新。比如学生在学习《机械设计》这门课程的时候通过学习和思考在不断改变自身对机械设计的认识,而对于他们自身的思维来说就是全新的,因为其从别人那里学习了并且合并了,从而产生了一个“新”的对《机械设计》的理解。孔子说:“学而不思则罔,思而不学则殆。”所以在《机械设计》这门课程教学中,学与思是教学过程中有机统一的两个方面。因此,要指导学生进行探究性阅读,使学生会思、善想,这样才能更好的对《机械设计》这门课程有个“新”的认识。机械零件的机构受到强度、刚度、稳定性、工艺性、摩擦、磨损、寿命、标准化等方面的限制,因而具有约束性;机械传动的方案可由多种运动形态及变换并配以不同的运动控制方式来实现,因而具有多解性;机械设计的结论受客观矛盾因素的影响和主观判断能力的局限,因而具有相对性。机械的这种约束性、多解性和相对性特点。为《机械设计》创新思维中的“学”和“思”的培养提供了广阔的空间。我们常把思维的过程称为“思路”,是因为可用路径问题来说明人类思维过程。而对于《机械设计》创新思维的路径是“学”和“思”。

(一)积极学习独立思考,培养思维的求异性首先,教师要帮助学生树立自信心,不盲从。“师不必贤于弟子,弟子不必不如师”的古训,“人非圣贤,孰能无惑”的道理,都是很好的教育素材。其次,教师要经常启发学生。在学习的过程中知道在传统的机械设计中,书本上总是有对各种机构、构件和零件的性能、应用限制,比如带传动难以克服弹性滑动,链传动不可以用在交叉轴之间的传动、两轮反向传动或转动等等。这些限制对于缺乏实践经验的学生们往往视之为雷池,不敢逾越半步,这个时候就首先要求学生在学习过程中对带传动、链传动有深刻的理解:在带传动中,为了克服带的弹性滑动,能否在带的内侧上安装一些突出的齿,带轮上也加工出对应的齿,形成齿形带呢?为了综合V带与齿形带的优点,能否将二者做在一起形成复合带呢?在链传动中,链传动属于半挠性体机构,链条中有刚性的链节,不可能交叉使两轴作反向传动或交错轴间的传动。能否想办法在链条做下改变呢?或者能否把链条中的链板变成杆状链节,而销轴变成球型呢?这些都是值得思考的问题。

(二)学会思考,培养思维的变通性“学”是具体的,“思”是抽象的。机械的功能往往是抽象的,而机械的结构一般是具体的。而思维的变通性是以目标为中心,寻找尽可能多的方案,从中选出最佳方案。要训练学生变换角度思考问题,使思维灵活多变。五、结束语随着时代的进步和科技的发展,生产方式已发生重大改变,一些新的设计理念和设计方法不断涌现。现代设计理念和设计方法与传统的设计理念和方法相比,发生了很大的变化。因此,很有必要加强“机械设计”课程教学中对学生创新设计和创新思维的培养。