综合测绘对培养学生发明创造能力的实践研究

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　　摘 要 综合测绘是学生完成所有专业课程学习后，在毕业设计开始之前进行的一次以工程测绘为基本过程，以工程设计为主线，综合运用各学科所学知识完成的一次实践环节。本文详细介绍了综合测绘的指导思想、引导方式、操作过程和注意事项，以便探讨如何更有利的培养学生的工程应用能力和发明创造能力。
　　关键词 综合测绘 发明创造能力
　　中图分类号：G420 文献标识码：A
　　
　　Practise Research of Integrated Mapping on
　　Bringing Up Student's Innovation Ability
　　QU Xiang, JIA Qiuhong, ZHANG Jun, WANG Wei
　　(Automobile College Chong Qing University of Science and Engineering, Chongqing 400050)
　　Abstract Integrated mapping is a practical work that which students usually use all what they learned to complete it integrative between they finished their major course and start with their graduation project. Their basic processes are engineering mapping, and principal line is engineering design. This thesis, particularly introduced the directive idea and guidance method, practice process and notices of integrated mapping, in order to discuss how to treat students’ engineering application invention and creation abilities.
　　Key words Integrated mapping; Inventiveness
　　
　　0 前言
　　当今世界正在经历一场全球性的科学技术革命，科技竞争日趋激烈，需要大量能够解决实际技术问题、又能进行产品研发的工程应用型人才，作为制定“十一五”规划着力点的自主创新也提升至国家的战略层面。但是，解决工程问题的能力不足, 创新能力弱, 难以适应企业的工作要求, 是我国高校工科毕业生存在的普遍问题，这种现象的长期存在是社会发展所不能接受的。对此，我们必须更新教育观念，深化教育改革，把自主创新作为人才培养的基点，大力提高学生的创新能力。
　　1 目前教学环节的问题与不足分析
　　实际事物都是多学科相互联系和组合的有机体，如果只单独分析各个学科的内容而不重视各学科之间的联系会使得学生仅习惯于以单学科的要求和观点分析实际事物，造成处理问题的实际能力差，最终导致学生缺乏灵活性和创造性，这是目前社会上对高等教育突出反映的问题之一。现在新技术和新学科也往往产生于各学科的交叉和边缘部分。因此，在实践教学过程中引导学生掌握各学科之间的联系与交叉点非常必要。
　　目前的大学工科机械类课程培养体系是单学科的教育方式,相应的实践教学依次是制图测绘、课程设计和毕业设计。这其中只有毕业设计是综合性的,其他都是单学科的训练。这种串行教育培养模式过程中的决策是序列进行的，总是根据上一阶段的输出和本阶段任务运用局部知识做出决策，并将结果输出到下一阶段。这样使得有些内容重复，加上程序式的指导和要求，直接造成创造教育和专业教学脱节，同时使得学生失去了对创造的兴趣和胆识。从高等教学的要求来看这种串行教学模式是必须的也是现阶段最可行的模式，但由于忽略了各个学科之间的联系，学生只知其然不知其所以然，缺乏实际运用知识的能力和意识，也必然造成创新能力的不足及自信心的缺乏。这也正是造成现在的学生创新能力缺乏的关键所在。
　　针对这种状况，结合几年来的实践，我们提出在学生最后一个学期毕业设计之前采用3周左右的时间安排一个综合测绘过程，起到一个承上启下的作用，引导学生对大学期间所学专业知识进行一次有针对性的梳理和复习，提高学生大胆创新的能力和兴趣，培养发明创造能力和创新精神。
　　2 综合测绘与发明创造能力的关系
　　综合测绘是学生完成所有专业课程学习后，在毕业设计开始之前进行的一次以工程测绘为基本过程，以工程设计为主线，综合运用各学科所学知识完成的一次实践环节。教师在综合测绘过程中应以大量的小组讨论为主，引导学生发现问题、提出问题，有针对性地搜索资料，除了帮助学生根据工程目的对之前三年所学知识进行梳理和复习外，更重要的是培养学生理解和感触机械设计的本质，消除发明创新的神秘感，同时养成勇于进行创新实践的积极态度和习惯。
　　我们认为，设计是工程的核心，设计教育是工程教育的核心内容，从产品的市场需求、原理方案分析直到总体设计、技术设计，工程设计这一过程中运用的知识之广泛，理论与实际联系之紧密，判断思维的智慧是其它学科所少见的，它将自然科学、人文科学和工程学科的知识综合融会，将智力因素、非智力因素，技术问题、非技术问题综合思考，运用各种相关学科知识以解决错综复杂的问题，其过程本身就是一个从无到有的创造过程。
　　机械工程的核心是机械设计，机械设计的本质是选定功能要求和技术方案，实现机构运动，满足制造条件。机械设计的核心内容是机构设计，机械的技术和功能要求的评价依据是机构图，产品制造是否可行、是否经济也主要来源于对机构图的工程分析，对于机构图的理解是对机械产品的本质性理解。这种理解是从总体到功能、从图纸到制造、从机构图到装配体、从设计到制造工艺，全面而复杂，很难从机械制图、机械原理、零件设计和专业课程及其课程设计的单一课程和环节中得到，只能是对多学科的综合运用与分析，这对于学生是一次认识上的实质性飞跃，也是培养和强化学生创新能力的必经过程。要在学生毕业之前强化学生的发明创造意识，必须要求学生完成从机械实物到机构图的抽象过程，从本质上理解机械设计。而综合测绘过程可以达到这一要求。
　　3 综合测绘中培养学生发明创造能力的实践过程
　　3.1 从实物总成测绘到绘制机构图，实现一次认识上的飞跃
　　测绘对象一般为机械的部件总成，部件选择应难度适中，从实物抽象出机构图的时间为一周，机构图反复修改的次数控制在3-5次。具体实践过程中主要采用了摩托车倒档器总成。学生以5个人左右一组为宜，自己拆卸组装，作图采用徒手铅笔绘图，不能用绘图工具，尺寸主要采用目测和手量，训练学生的制图能力、空间感和机构方案绘制速度。
　　首先，把部件总成交给学生，要求学生在二天内画出部件总成的机构图。然后用半天时间，学生和指导教师一起开讨论会。要求学生依据机构图，说明总成的工作原理、动力传递路线、性能特征参数、装配顺序、关键尺寸及公差要求。讨论中，教师引导学生发现问题、提出问题。如倒档器中关键部件三个锥齿轮的位置关系，主动齿轮与从动齿轮的关键传动参数及数学表达，引发学生提出问题；提出机构图中的设计关系要求学生思考问题，如轴承位置、齿轮轴中心距的关系、换档变化以及如果换档操作失败引起的后果变化等。让学生在设计边界内中考虑方案比较和结构选择，教师对讨论的问题一般不作结论，但给予解释。
　　通过机构图-对照实物的讨论，学生将认识到所画机构图与结构的关系，有效地提高识别和表达总成及零件实物设计参数和技术要求的能力，开始形成绘制设计装配图的欲望。学生在这个过程前期会浮于表面，处于完成老师布置的作业，等待标准答案的被动状态，但随着机构图在指导教师不断提高的要求下，一步一步地开始注意轴长、轴承位置、零件空间尺寸和装配关系。修改的机构图在比例和细部结构上越来越接近实际装配体，而通过教师引导和学生之间的相互讨论，学生感到在简单的机构图上居然可以如此深入的了解设计问题，技术问题表达起来居然这样简单，开始由被动转为主动，由等待答案转为主动思考问题，自己寻找解决问题的思路，从而形成一定的兴趣和胆识，为下一步过程打好铺垫。
　　3.2 从机构图到装配体，实现从设计到制造的设计过程
　　这个过程时间为1周，分两个阶段。
　　第一个阶段，收回实物和第一张机构图，要求学生在半天内独立凭记忆绘制第二张机构图，并且严格按照l：l的比例绘制，机构图必须明确地表达设计意图和机构尺寸及关键形位尺寸。然后让学生自己对比前后两张机构图的差异，并在讨论中弄清楚是因为没有彻底掌握机构关系导致绘制有误，还是通过一周的讨论后在原有的基础上已经形成了自己的设计想法。对于前一种情况就需要花一些时间指导或是讨论，帮助学生扎实机构基础，而对于后一种情况，则是在鼓励的前提下进一步完善其设计思想和方案。这个时候，学生的创新能力已经开始出现萌芽，同时兴趣高涨，而且自信心也得到培养。
　　第二个阶段，根据前面的最终方案绘制两张l：l机构图，一张留作参考，把另一张徒手改画成部件装配图，徒手绘图中可以参考实物零件。这个过程中以学生独立完成为主，重点要让学生明白两点：一是实际设计过程中是先装配图后零件图，纠正以往课程设计造成的错误；二是在整个过程中需要大量查阅设计资料和设计手册，实现对标准件、常用件的合理使用，并逐渐在设计过程中引入成本的概念，使得这一模拟的设计过程与实际接轨。最后按照设计图的技术要求独立进行CAD装配图的绘制。
　　CAD装配图的绘制完成后，指导教师组织一次讨论会，在会上展示摩托车倒档器总成的产品图，面对产品图，学生可以对比自己的设计；指导教师对产品图和学生的设计图作设计评价，主要针对产品图，从设计基准、图样标注、公差配合、材料及热处理、制造工艺方面提出对产品设计的改进意见，尤其突出中心线与设计基准、运动副表面和测量基准面与粗糙度的关系，引导学生从关心图面深入到关心设计与制造。这个讨论的目的是达到学生敢于挑设计毛病的效果，树立自信心。我们的经验是：没有经过这样训练的学生，面对产品图感觉神秘，不敢往下看，更不可能挑出设计问题。没有挑设计毛病的胆量和自信心的人，不大可能有创造性，对设计不满是创造性培养的开始和发明的动力。
　　3.3 从市场需求到总体设计，实现设计的全过程
　　这个过程时间为1周。要求学生自己在网上查阅摩托车倒档器的技术资料、销售情况、技术专利等科技文献，完成文献综述。由指导教师组织讨论会，每个学生作综述报告，目的是扩大学生思维空间，从系统的角度审视题目，了解产品存在的空间和条件。
　　这个阶段是学生最累的时侯，学生首先要很快学会利用网络资源进行有目的的搜索和快速的浏览以及辨别其真实性和价值，然后要要大量接触产品范围内前人的设计方案和基本设想，了解已有产品的具体结构和功能布置，要在此基础分析其优缺点并提出自己的方案设想，并用机构图表达出来，形成自己的设计方案，还要在讨论会上表达自己的想法，讨论会上还要回答不同意见，有的意见是非常尖锐的，学生必须学会接受不同意见，学会共同合作，学会如何讨论、学会如何尊重人。讨论会上指导教师对学生的初步方案只提问题，不作评价，不作指导。让学生观察指导教师关心的是什么问题，习惯自己去独立分析和解决，学会怎样安排好设计注意点。
　　这一阶段的工作，主要培养学生对待工作科学严谨的态度，拓宽思维空间，唤醒创造意识，形成团结协作能力，建立学生发明创造能力的自信心。当学生的方案通过小组讨论得以通过确定以后，就可以徒手绘制比例机构图，要求所有构件按实际尺寸比例完成，在此基础上，徒手绘制设计装配草图，进而完成整个系统总成的所有零件图纸。在最后完成所有设计图纸以后，学生都会感到有很强的成就感。
　　4 结论
　　整个综合测绘过程实际上是一次设计过程的缩影，是毕业设计前的一次模拟设计，使得学生对机械设计的本质有了较深的理解和感触，发明创新的神秘感消失，同时也是对之前三年所学知识的一次梳理和复习过程，通过上述的训练，学生可以逐渐养成发现问题，提出问题，勇于进行创新实践的积极态度和习惯，在毕业设计过程中会完全变被动为主动，真正实现设计这一创新能力。
　　我们在近几届的实践指导过程中，教师通过上述阶段的引导后，指导学生在毕业设计申报发明专利6项，获得授权3项，实用新型专利授权27项。此外，根据与用人单位的交流，通过上述锻炼的学生，在工作中大都受到用人单位的好评，认为其工程实践能力强、专业基础扎实、知识面宽、素质高、踏实肯干、富有创新精神，在各自的岗位中起到突出的作用。
　　从实践中我们认识到，学生的发明创造欲望是很强的，教学中如果注意引导激发，而不限制思维，是能够取得良好效果的。整个综合测绘过程和紧跟着的毕业设计阶段不是教师追着学生走，而是学生自己赶着走，讨论的方式也保证了教师和学生都有自己的思维空间和独立性，相互影响、取长补短。同样，在对低年级学生开展教学和学生课外科技活动中也可采用这一设计思路和培养模式。
　　 重庆理工大学高等教育研究项目NO.2009008
　　
　　参考文献
　　[1] 廖林清等.机械设计方法学.重庆：重庆大学出版社,1996.
　　[2] 廖林清等.现代设计法.重庆：重庆大学出版社,2004.
　　[3] 傅家骥.技术创造学.北京：清华大学出版社,1998
　　[4] 王秋珍.机械优化设计的几种方法及评判指标[J].重庆工学院学报,2006(8):52-53.
　　

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