依托国家级实验教学示范中心强化学生机械设计创新能力培养

竺志超，王 勇，祝洲杰

（浙江理工大学机械基础实验教学中心，浙江 杭州 310018）

竞争是市场经济存在的基础，广泛存在于各行各业之中，然而竞争的关键在于创新。创新是一个民族进步的灵魂，是国家兴旺发达的不竭动力[1]。对企业来说，创新是企业的灵魂，是企业核心竞争力的来源。因此，对于担负三大功能的高校而言，创新性人才的培养应该是高校的中心工作。

高校创新性人才应该具备3个基本要素：即扎实的专业知识、优良的创新能力和强烈的创新意识。相应地在创新性人才培养上，应从理论知识教学、创新能力锻炼和创新意识培养三方面着手。

其中创新能力，应该正确理解为创新思维能力和创新实践能力的总和，即创新能力=创新思维能力+创新实践能力，一个是“想”，一个是“做”。凡是能想出新点子、创造出新事物、发现新路子的思维，都属于创新思维，是创新实践和创造力发挥的前提。一切需要创新的活动都离不开思考，离不开创新思维，可以说，创新思维是一切创新活动的开始。工科学生的创新思维也是一种高度工程化的思维，因此市场意识、成本意识、能源和环境意识，是工程创新必须接受的制约因素[2]。

而创新实践，则是通过创新思维得出的创新方案或思路，在实际中的实施，以获得创新结果的活动，其最终使创造力得以展示。没有实践，好的想法就无法转换成现实。只会“想”，不会“做”，工程创新思维就无法变成工程现实，从事工程活动所追求的建构新的存在物，就无法突破。所以，创新实践必须看作高校工科人才培养的关键，在教学各相关环节都要强化实践，保证学生宽泛知识面的获得与创新能力的增强在工程实践中达到平衡，促进协调发展。

目前，我国普通高校的工科大学生，由于长期受应试教育的影响，与欧美等教育发达国家学生相比，其应试能力具有很大优势，但在动手能力与创新能力等方面，却明显处于劣势，主要表现在缺乏创新思维能力、缺乏创新技能、缺乏创新毅力、不善于利用和创造条件等方面[3]。这严重影响了高等工程教育培养品质，阻碍了国家科技实力的发展提高，所以，工程创新教育的改革，已是刻不容缓。

1 实验室与创新人才培养的关系

实验室是发现、发明和工程创新的摇篮。一方面，实验室是创新人才培养的重要基地，实验教学是创新能力和创新意识培养的重要手段。学生的知识、理论、技能需通过实践来理解、掌握和锻炼，学生创新能力，以及科学态度、协同能力等创新意识需要在实验、实践中培养。另一方面，大量的发现、发明也是来自于实验室的试验、实验活动[4~5]。欧美国家十分重视实验室建设，美国的很多著名大学都拥有国家实验室，如设在麻省理工学院的林肯实验室，加州理工学院的喷气推进实验室，加州大学的劳伦斯伯克利实验室等，并出了很多诺贝尔奖获得者。可见，实验室在创新人才培养中的地位和作用是十分显著的，是衡量学校办学实力和人才培养质量的标志。

在新形势下，普通高校应该正确认识实验室地位，加强实验室建设，发挥实验平台在创新人才培养中的积极作用。对于工科大学生来说，实验室是非常重要的学习场所，不仅课堂学到的知识需要通过实践活动消化吸收（理解）和掌握（会用），而且工程创新活动需要借助实验平台的支撑，并且在实践中锻炼创新能力，在实践中培养创新意识[6~8]。然而普通高校当前普遍存在着重视课堂教学、验环节相对偏弱、创新教育不够重视以及教学工程背景弱化、教学内容与工程需求脱节、学生难以学以致用等诸多问题。这些问题造成高校学生缺少最基础的工程能力，如毕业设计时反映出学生无从下手，基础知识不会综合应用；就业时反映出学生的工程经验缺乏，脱离实际。同时，这些问题也严重影响了学生创新能力的培养。

因此，我们提出，作为机械专业的几门主干课程，在机械设计学科相关系列课程教学中，要充分利用实验室的功能，关注学生工程创新能力的培养。

2 实验室创新实践环境的构建

作为实验中心，要更好地发挥在创新人才培养中的作用，首要是创造良好的创新实践环境，包括软硬件条件。比如提升中心教学理念、对实验教学体系、课程体系以及实验教学模式等方面，进行全方位的改革，实行开放管理机制等。

以浙江理工大学国家级机械基础实验教学示范中心为例。中心建立了8个功能实验室，尤其是动平衡特色实验室、虚拟现实实验室、仿真实验室等等，设备先进，软件一流，符合工程化教学要求。在此基础上，提出以学生知识综合应用能力、工程实践能力和创新能力“三个能力”培养为主线，全方位开放，最大限度地满足学生全面发展和个性化发展需要的先进实验教学理念。为此，建立满足“三个能力”培养需要的“2+2”四模块实验教学新体系（图1），建立常规实验教学、工程实训、创新活动“三位一体、四层面并举”的多元化实验教学新模式，实现了“常规教学与个性培养、课内实验与课外实践、实验教学与新技术培训相结合”的三个结合，并取得了良好的效果，获2009年浙江省第六届高等教育教学成果一等奖。

图1 “三个能力”培养的四模块实验教学体系

3 实验中心的学生机械设计创新能力培养

3.1 从机械设计认知规律分析，加强实践性，强化动手环节

扎实的理论知识，是机械设计创新所必须的。从认知规律（图2）分析，机械设计创新能力的培养，首要是加强实践强化动手环节，通过动手，理解知识原理，掌握理论应用。机械设计对象是实物，是具体的，而机械设计的很多概念却是抽象的，如机械原理齿廓包络线概念，要理解会应用，需要通过动手实践，才能变成真正掌握的知识和经验（即内化），并且记忆深刻。

另外，对于机械设计创新能力培养而言，动手能力是创新实践所必须的。基本的动手操作训练是必不可少的，这些训练不是为了练就学生在某个方面的熟练技能，而是为他们的技术集成和创新思维发展，提供一些经验。

图2 认知的一般规律

围绕学生动手实践的要求，中心有针对性地开设一系列的课内实验和课外开放实验与培训。如中心开设的典型机械认知与方案创新实验，以典型行业机械为实验对象，从功能分析、方案设计到开箱比对，运动简图和工作循环图绘制，锻炼学生设计的系统性与工程化，训练学生的观察能力、动手能力和知识综合应用能力，同时让学生接触了解典型行业设备及原理，拓宽知识面，积累集成创新经验。又如中心新开发一批创新性实验教学项目，如方案创新的传动实验、模式可变的飞轮实验、项目驱动的工程材料实验、非接触的CCD技术测量实验等等，进行开放式管理，无一不是体现了既强化学生动手，又展示创新特色的综合性实验。此外，中心为满足现代工业的发展对应用创新型人才的需求，开展新技术和新技能的培训，如三维CAD应用工程师培训、CAXA工程师资格认证培训、ADAMSANSYS培训、机械设计工程师培训、数控工艺培训、机电一体化职业技能培训、工业自动化技能人才培训等，强化动手，掌握技能，为工程创新打好基础。

3.2 从机械设计学科特点分析，加强工程性，强化工程素质

机械设计主要面向机电产品开发，学科的实践性、工程性很强，因而创新教学的关键之一，应该在于落脚到工程应用与设计。如果学生连工程应用、工程设计都不会，就更不可能在工程领域进行创新活动。因此，在教学中迫切需要加强教学的工程性，提高学生工程能力。

当前普通高校工程教育的价值取向，缺乏工程化特色，由此导致教学的工程弱化，学生工程素质不高。许多工程类专业教学不仅仍在沿用纯理科的教学模式，简单地用科学思维代替工程思维，追求科学真理代替追求工程最佳，而且广泛使用计算机模拟来取代工程实践，夸大计算机模拟的作用。现在学生做一个设计，用计算机模拟一下就结束，带给学生的这种经验，在工程上与实际差距较大。还有大学工科教师大都是从校门到校门，最缺乏的就是工程实践的知识、经验和素养[2]，导致学校所教和企业所需存在脱节。

另外，学校在培养人的观念上与现实存在差距。学校侧重培养学生的发展潜力，而忽略了企业用人规则，也就是即聘即用。这些问题造成普通高校人才培养模式和企业用人需求脱节，企业对学校人才培养的满意度不够高。

为此，笔者认为对加强机械设计教学的工程化，需要采取一些实质性的措施，提出与工程“零距离”的教学模式，即教学要素工程化，包括教材（教学内容）、教学设备、教学方法和手段以及教师的施教等。例如实验教学内容工程化，案例多取工程实例，如以丝织机等实际机械设备为对象的机构运动参数测量、企业零部件与企业级动平衡机进行动平衡、实验教学软件与企业主流软件接轨等；多采用现场教学，少用虚拟手段；强化校外实践基地建设，聘请兼职工程师担任实践性环节指导教师，结合他们丰富的实际工作经验授课，并培养青年教师；学生直接参与企业横向课题研究等。这些措施在机械设计教学工程化方面，起到了积极作用，学生评价好。

3.3 从机械设计创新过程分析，加强思维训练，强化创新能力

机械产品的创新设计，从原理、方案到结构设计最后到产品，整个过程（图3）是非常复杂的，其中包括功能原理、设计方法等，涉及的学科面广，技术集成度高。产品要创新，尤其是原理创新，需要设计师具备很强的创新思维能力，掌握一定的创新技法。机械设计的创新，实际上就是根据已知需求探寻最佳的设计方案，有时是功能原理上创新，有时是技术集成创新，需要综合考虑工程的系统性、集成性、建构性、创新性，所涉及的知识除专业知识外，还有与人、社会、自然环境等关系方面的，还包括设计的技术经济评价，整个创新过程也会遇到意想不到的困难，而创新思维能力在整个创新过程中，起到关键作用。

图3 机械设计的创新过程与创新素质

在当今社会，企业的竞争就是产品的竞争，产品竞争的核心就是创新人才。因此，机械设计创新人才的培养，是高校工程教育的重要职责，创新教育是专业教育的重要组成部分。而创新无处不在，人人可以创新，需要培养机械相关专业学生有强烈的创新意识，创新冲动，以创新为乐；同时创新是有规律的，学生必须学习创新技法，掌握创新技能，训练创新思维，突破创新障碍。没有创新意识和创新技能，也不可能有良好的创新思维能力。

3.4 以多种载体形式，举办系列机械设计创新活动

为了提高学生的创新思维能力，培养创新意识，训练创新技法，中心以多种载体形式，举办了机械设计系列创新活动。

（1）创新与应用综合训练。利用国家级示范中心平台和本身的资源优势，在教学计划外创办创新与应用实验班，聘请全校最优秀的相关老师以及企业工程师授课。实验班教学内容体系分基础训练、专业训练和专业实践3个层次，共分3个学期完成。其中基础训练层次，包括创新思维和方法、机电系统创新实例讲座；专业训练层次，包括机械创新设计与训练和机电创新设计与训练；专业实践层次，则包括下述的科研和各项学生科研训练计划的实践与训练等。

（2）项目驱动促训练。中心组织学生以小组的形式，参与中心教师的横向科研项目，申报省科技厅支持的新苗计划（学生项目），参加机械学科相关竞赛和挑战杯活动等，另外中心在学校支持下，发起组织科研训练计划（2008至2009年间共资助了14个学生科研训练计划）。

（3）学生自主学习活动。中心通过宣传引导，以学生申请、老师指导、学生实施、完成专题自主学习及总结评价的过程，组织学生社团（经学校批准的学生自主活动）、兴趣小组（针对感兴趣的主题自己组队）等形式，参与机械设计的创新活动。如慧鱼社团，学生自行管理中心的慧鱼创意模型室，已连续组织了共5届创意模型大赛，成为校星级社团，并于2010和2007年分获全国大学生机械创新设计大赛慧鱼组一、二等奖。

4 结束语

学生机械设计创新能力培养，对于提高机械类学生的综合素质以及学生择业的竞争力，都有很大的帮助。浙江理工大学机械基础实验教学中心，依托国家级示范中心的大平台，以“三个能力”培养为主线，在学生的创新能力培养方面，深化创新教学改革，并从加强实践、加强工程化和加强创新思维训练等方面着手，推出了一些针对性措施，已取得了良好的成效。

[1]江泽民..论科学技术[M].北京：中央文献出版社，2001.

[2]姜嘉乐.工程教育永远要面向工程实践——万钢校长访谈录[J].高等工程教育，2006，（4）：1-7.

[3]帅玉妹.大学生机械设计创新能力的培养思路[J].中国西部科技，2009，8（31）：58-59，61.

[4]王兴邦.面向21世纪我国实验室的建设与管理[Z].高校实验教学改革与实验室管理创新研讨班讲话，西宁.2010.7

[5]郭恩棉.浅谈新时期实验室工作的作用和地位[J].中国现代教育装备，2008，（9）：89-90.

[6]罗正祥.理论基础与工程实践并重，培养创新型人才[J].实验技术与管理，2006，23（2）：1-4.

[7]冯启明.加强实践教学，培养学生工程实践与创新能力[J].高教研究，2007，84（3）：47-49.

[8]周作元，李景奇，王兴邦，等.处于世纪之交的高校实验室工作的地位与改革思路[J].实验技术与管理，1998，15（1）：1-8.