肖楠?張陳?郭維城?劉圓圓

摘要：在大學(xué)機械類專業(yè)“機電一體化技術(shù)”課程教學(xué)中滲透創(chuàng)新能力體系理論，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，使學(xué)生建立創(chuàng)新理念。對傳統(tǒng)的教學(xué)模式進(jìn)行了改革，提出基于創(chuàng)新作品制作的機電一體化課程設(shè)計教學(xué)模式，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力及設(shè)計能力，并應(yīng)用TRIZ理論及軟件輔助實踐設(shè)計。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新能力體系理論；機電一體化；教學(xué)內(nèi)容改革；TRIZ

作者簡介：肖楠（1980-），男，遼寧沈陽人，沈陽工程學(xué)院機械學(xué)院，副教授。（遼寧 沈陽 110136）

基金項目：本文系遼寧省教育科學(xué)“十二五”規(guī)劃2012年度立項課題（課題編號：JG12DB326）、沈陽工程學(xué)院“教研青年基金項目”（項目編號：Q1205）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）09-0083-02

在機電一體化課程教學(xué)中引進(jìn)創(chuàng)新能力體系理論，鼓勵學(xué)生的創(chuàng)新精神，并且對傳統(tǒng)的機電一體化課程設(shè)計進(jìn)行改革。通過課程設(shè)計教學(xué)模式改革建立學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計立意，并通過創(chuàng)新設(shè)計，樹立大學(xué)生“終身創(chuàng)新”的理念。

一、“機電一體化技術(shù)”課程綜述

1.“機電一體化技術(shù)”課程的定位

機電一體化是一個交叉學(xué)科，與機械技術(shù)、電子技術(shù)、計算機技術(shù)有機結(jié)合，所涉及的內(nèi)容十分廣泛。同時是微電子技術(shù)向傳統(tǒng)機械設(shè)計技術(shù)滲透的過程中發(fā)展出來的一門綜合性技術(shù)課程，包括機電一體化的分類、相關(guān)技術(shù)及設(shè)計方法；組成機電一體化系統(tǒng)的典型子系統(tǒng)；機電一體化系統(tǒng)的傳統(tǒng)控制策略、現(xiàn)代控制策略和智能控制策略；機器人技術(shù)；數(shù)控技術(shù)；微系統(tǒng)技術(shù)；故障診斷技術(shù)和激光加工技術(shù)等。

2.機電一體化課程設(shè)計的教學(xué)要求

通過進(jìn)行課程設(shè)計使學(xué)生了解或掌握如下技能：了解和掌握PLC在機電一體化系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用；采用微型計算機（包括單片機）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和控制；選用驅(qū)動控制電路，對執(zhí)行機構(gòu)進(jìn)行控制；精密執(zhí)行機構(gòu)設(shè)計，提出裝配圖和零件加工圖；采用傳感器進(jìn)行反饋控制或作為測量敏感器件。

二、基于創(chuàng)新作品制作的機電一體化教學(xué)模式

1.創(chuàng)新作品設(shè)計開題——滲透創(chuàng)新能力體系理論

課程設(shè)計時，并不一定要對上面的內(nèi)容面面俱到，但要對學(xué)生進(jìn)行全面訓(xùn)練，則盡可能多涉及一些。為了讓學(xué)生既要滿足以上教學(xué)要求，又增加對該門課程的學(xué)習(xí)熱情，在課程設(shè)計教學(xué)中滲透了創(chuàng)新能力體系理論，并且要求學(xué)生自擬設(shè)計題目，鼓勵題目的創(chuàng)新性。當(dāng)擬定題目后組織專業(yè)課教師與學(xué)生之間進(jìn)行“師—師”、“師—生”、“生—生”討論，探討方案及題目的可行性。最后進(jìn)行開題答辯，對于答辯通過的設(shè)計題目進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計。

2.創(chuàng)新作品設(shè)計——引入創(chuàng)新能力體系設(shè)計軟件

設(shè)計過程中，在采用原有設(shè)計軟件的基礎(chǔ)上引入如下創(chuàng)新能力體系設(shè)計軟件：

（1）綜合知識挖掘工具——Knowledgist。Knowledgist軟件的主要功能是：采用語義處理技術(shù)可同時智能化處理多篇不同格式的文檔，同時將文檔中的知識點按主題含義分類，建立知識庫，借助智能化的知識庫索引，使用者不需閱讀全文即可對文章內(nèi)容一目了然。

軟件特點：可實現(xiàn)網(wǎng)站處理和專利分析；并行使用一組通用搜索引擎，可同時搜索并處理所有的網(wǎng)站或某一工業(yè)類別中的站點，形成一個條理清晰的知識庫。

Knowledgist軟件的應(yīng)用能夠使學(xué)生在設(shè)計過程中不斷了解工業(yè)動態(tài)，多方挖掘知識，對自己的設(shè)計思維增加信心。通過軟件還可以進(jìn)行專利分析，使同學(xué)們知道在機電一體化的設(shè)計過程中發(fā)明是層出不窮的，多名同學(xué)通過設(shè)計新思維進(jìn)行了專利申請的策劃。

（2）計算機輔助創(chuàng)新軟件——TechOptimizer。TechOptimizer

軟件是以TRIZ創(chuàng)新能力理論為理論基礎(chǔ)，結(jié)合創(chuàng)造性設(shè)計方法，輔助工程技術(shù)人員、科研人員以及企業(yè)經(jīng)營者進(jìn)行產(chǎn)品改進(jìn)、新產(chǎn)品開發(fā)以及獲得突破性創(chuàng)新技術(shù)的計算機輔助創(chuàng)新軟件。它以分析解決產(chǎn)品及其制造過程中遇到的矛盾為出發(fā)點，從而可以從根本上解決新產(chǎn)品開發(fā)過程中遇到的技術(shù)難題而實現(xiàn)創(chuàng)新，并可為工程技術(shù)領(lǐng)域新產(chǎn)品、新技術(shù)的創(chuàng)新提供科學(xué)的理論指導(dǎo)，并指明探索方向。

主要特點：根據(jù)用戶需求，快速發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有產(chǎn)品或流程中存在的問題，并給出高質(zhì)量的解決方案；幫助設(shè)計者解決技術(shù)矛盾，避免妥協(xié)設(shè)計；加速新產(chǎn)品和工藝的研發(fā)過程；在概念設(shè)計階段進(jìn)行成本分析，有效降低產(chǎn)品成本；智能化的向?qū)щS時給出操作提示，軟件使用更容易；自動生成分析報告。

通過對TechOptimizer軟件的使用，使學(xué)生對自己的設(shè)計思路進(jìn)行分析，在概念設(shè)計階段就可以接觸到機電一體化設(shè)計的前沿部分，學(xué)生自擬題目中多涉及可編程控制器、智能傳感器、太陽能產(chǎn)品等。通過TechOptimizer軟件，可以隨時了解以上產(chǎn)品在工業(yè)中的動態(tài)，避免重復(fù)設(shè)計，并可以通過對類似產(chǎn)品的了解和學(xué)習(xí)，指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計。

3.創(chuàng)新作品實物或模型制作——驗證創(chuàng)新設(shè)計可行性

設(shè)計作品的實物制作是創(chuàng)新設(shè)計的重要部分，在題目論證階段，通過師生的探討，對于設(shè)計題目的成本進(jìn)行分析。通常要求設(shè)計的產(chǎn)品能夠制作出實物，由工程訓(xùn)練中心提供必要的機加及電路板等設(shè)備，指導(dǎo)學(xué)生完成成品制作；如果成本過高，則進(jìn)行模型的制作。

實物制作可以使學(xué)生的設(shè)計作品更加貼近生活，而實際作品中也產(chǎn)生了大量貼近生活的創(chuàng)新設(shè)計。同時充分利用電學(xué)、力學(xué)、傳感器等知識，對自己身邊的生活進(jìn)行改造，大大增加了學(xué)生對課程乃至專業(yè)的學(xué)習(xí)興趣。同時要求實物制作還可以避免不切實際的設(shè)計，更加加深學(xué)生對機械、控制工程等相關(guān)學(xué)科嚴(yán)謹(jǐn)性的認(rèn)識。

三、舉例說明基于創(chuàng)新作品制作的機電一體化教學(xué)模式的應(yīng)用

創(chuàng)新能力體系理論和創(chuàng)新能力體系設(shè)計軟件，能夠拓展學(xué)生的設(shè)計思路，并在設(shè)計中有良好的成就感。筆者在機電一體化課程設(shè)計教學(xué)中采用基于創(chuàng)新作品制作的教學(xué)模式，在機械設(shè)計及其自動化本科兩個專業(yè)共57個同學(xué)進(jìn)行的教學(xué)改革過程中，共有34個題目最終通過審核，成為各自的設(shè)計任務(wù)。對于沒有通過開題審核的學(xué)生，可以進(jìn)行傳統(tǒng)課程設(shè)計。通過三周的設(shè)計，學(xué)生基本完成了設(shè)計任務(wù)、設(shè)計說明書、控制程序（包括可編程控制器和單片機控制），機械圖紙部分也全部完成，并且大部分同學(xué)完成了成品或模型的制作工作。

最終通過本次設(shè)計，共有兩名同學(xué)的設(shè)計申報了國家實用新型設(shè)計發(fā)明專利，并獲得授權(quán)，分別為“一種可以防盜、防側(cè)翻及減噪的新型下水井蓋”（專利號：201020210628.1）、“一種基于逃生功能的汽車車窗改進(jìn)設(shè)計”（專利號：201020210628.1）。另有6項設(shè)計也完成了查新和申報文件制作，擬申報專利。下面以第一個設(shè)計作品為例闡述基于創(chuàng)新作品制作的機電一體化教學(xué)模式的應(yīng)用。

1.“一種可以防盜、防側(cè)翻及減噪的新型下水井蓋”設(shè)計簡介

井蓋被盜及由于車輛傾軋側(cè)翻的現(xiàn)象時有發(fā)生，在保留普通井蓋主要功能（掩井御物）不變的前提下，對普通井蓋進(jìn)行改進(jìn)。通過從井蓋及井圈結(jié)構(gòu)的角度出發(fā)來設(shè)計，來減少普通井蓋被盜及噪聲給市民帶來的安全威脅，進(jìn)而完善實際的防盜、防側(cè)翻及減噪的功能。

2.TRIZ分離原理在學(xué)生設(shè)計作品“一種可以防盜、防側(cè)翻及減噪的新型下水井蓋”中的應(yīng)用

分析及設(shè)計過程如下：

（1）對目前普通井蓋設(shè)計的分析——引入Knowledgist軟件。通過對灰口鑄鐵井蓋、硅塑井蓋、水泥井蓋等各種常用井蓋的承載能力、使用范圍、使用環(huán)境、使用壽命等多方面的分析，通過Knowledgist軟件對現(xiàn)有的各種井蓋在防盜、易側(cè)翻等缺點進(jìn)行分析，決定采用分離原理對井蓋的開啟裝置進(jìn)行改進(jìn)。

（2）創(chuàng)新作品的設(shè)計創(chuàng)意——運用TRIZ分離原理。使用TRIZ空間分離原理進(jìn)行創(chuàng)新思維，運用磁力瞬時性原理解決子系統(tǒng)沖突：磁力表座旋轉(zhuǎn)按鈕在九十度旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)會使磁力從很微弱瞬間轉(zhuǎn)變?yōu)楹艽蠡驈暮艽笏查g轉(zhuǎn)變?yōu)楹芪⑷酰鶕?jù)此原理，設(shè)計了磁力開啟裝置，并將其應(yīng)用于下水道井蓋的研究之中。應(yīng)用這一原理，在下水道井蓋放好之后，如果想把井蓋開啟，不會像開啟普通井蓋那樣容易，因為在井蓋外表面沒有開啟洞眼，必須使用專門設(shè)計的專業(yè)磁力裝置來開啟。

（3）具體設(shè)計內(nèi)容：設(shè)計內(nèi)容主要包括兩項。一是井圈與井蓋連接處結(jié)構(gòu)設(shè)計：設(shè)計楔形面和豎直面接觸的結(jié)構(gòu)。二是井蓋外表面改造設(shè)計：主要包括設(shè)計無開啟洞眼的外表面。

首先是井圈與井蓋連接處結(jié)構(gòu)設(shè)計，為了使井蓋能夠防側(cè)翻及減噪的功能，把井圈與井蓋的連接處設(shè)計成楔形面和豎直面接觸的結(jié)構(gòu)。楔面能夠使井圈與井蓋的接觸面積更大，進(jìn)而能夠減輕因接觸間隙而產(chǎn)生的噪音，而豎直面能夠產(chǎn)生最大的扭矩，進(jìn)而起到防側(cè)翻的功能。

其次是井蓋外表面改造，設(shè)計的新型井蓋是沒有開啟洞眼的，其目的就是為了讓盜賊沒有可乘之機偷盜井蓋。同時設(shè)計了專業(yè)的井蓋開啟裝置，其核心結(jié)構(gòu)也是這個磁力裝置。

在下水道防側(cè)翻井蓋設(shè)計過程中首次使用磁力機構(gòu)，最主要的特點就是整個設(shè)計構(gòu)件沒有用到電力設(shè)備，不用大量的材料，加工成本較低，而且本次設(shè)計的下水道防側(cè)翻井蓋結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)和實際的應(yīng)用 。

3.設(shè)計總結(jié)

本次設(shè)計充分利用了現(xiàn)代設(shè)計理論TRIZ中的分離原理，使井蓋在平時狀態(tài)下無法開啟，并設(shè)計了專用的開啟裝置，整個設(shè)計使用了機電一體化設(shè)計中的機構(gòu)設(shè)計、磁力學(xué)設(shè)計，并且根據(jù)設(shè)計環(huán)境避免了電學(xué)設(shè)計，達(dá)到了機電一體化設(shè)計的要求同時，增強了設(shè)計的興趣。同時要求學(xué)生進(jìn)行樣品制作，學(xué)生最終完成了模型制作，并申請了實用新型專利，獲得了授權(quán)。

四、結(jié)語

學(xué)生個性及創(chuàng)造性的培養(yǎng)是工程教育的關(guān)鍵所在，因為“工程師創(chuàng)造未來的世界”。工程師的任務(wù)是發(fā)明和創(chuàng)造，將已有的科學(xué)技術(shù)成果轉(zhuǎn)化為實際的工業(yè)技術(shù)與產(chǎn)品，依賴于工程師的創(chuàng)新能力。

機電一體化技術(shù)是機械設(shè)計制造及其自動化學(xué)科的重要專業(yè)課，在教學(xué)中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維具有重要的意義，也為學(xué)生未來工作中的設(shè)計理念打下一定的基礎(chǔ)。改革過程中筆者有以下體會：第一，大學(xué)生通常具有很強的創(chuàng)新需求，需要指導(dǎo)教師加以引導(dǎo)，在教學(xué)過程中幫助學(xué)生樹立發(fā)現(xiàn)問題并且解決問題的信心。本次改革取得了良好的教學(xué)效果。第二，大學(xué)生想象力豐富，這些題目增加了教師的工作量，對教師的個人設(shè)計能力及應(yīng)變的能力和設(shè)計經(jīng)驗也提出了很大挑戰(zhàn)，需要教師本身樹立創(chuàng)新意識，并且通過不斷的學(xué)習(xí)提高解決問題的能力。第三，本次改革中有11名學(xué)生（約20%）沒有完成創(chuàng)新設(shè)計題目論證，最終還是進(jìn)行了傳統(tǒng)題目的設(shè)計，也有學(xué)生最終沒有完成成品制作。除去學(xué)生個人原因，這一現(xiàn)象也值得教師思考：創(chuàng)新思維訓(xùn)練是否在學(xué)生入學(xué)之初就應(yīng)該提倡和推廣？面對不同的就業(yè)層面和社會需求，高校是否能夠考慮重點課程的多元化考核出口？這些問題尚需繼續(xù)研究與探討。

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（責(zé)任編輯：王意琴）