基于创新理论的“机电一体化技术”课程模式改革探索

肖楠?张陈?郭维城?刘圆圆

摘要：在大学机械类专业“机电一体化技术”课程教学中渗透创新能力体系理论，有助于培养学生的创新能力，使学生建立创新理念。对传统的教学模式进行了改革，提出基于创新作品制作的机电一体化课程设计教学模式，培养学生创新能力及设计能力，并应用TRIZ理论及软件辅助实践设计。

关键词：创新能力体系理论；机电一体化；教学内容改革；TRIZ

作者简介：肖楠（1980-），男，辽宁沈阳人，沈阳工程学院机械学院，副教授。（辽宁 沈阳 110136）

基金项目：本文系辽宁省教育科学“十二五”规划2012年度立项课题（课题编号：JG12DB326）、沈阳工程学院“教研青年基金项目”（项目编号：Q1205）的研究成果。

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）09-0083-02

在机电一体化课程教学中引进创新能力体系理论，鼓励学生的创新精神，并且对传统的机电一体化课程设计进行改革。通過课程设计教学模式改革建立学生创新设计立意，并通过创新设计，树立大学生“终身创新”的理念。

一、“机电一体化技术”课程综述

1.“机电一体化技术”课程的定位

机电一体化是一个交叉学科，与机械技术、电子技术、计算机技术有机结合，所涉及的内容十分广泛。同时是微电子技术向传统机械设计技术渗透的过程中发展出来的一门综合性技术课程，包括机电一体化的分类、相关技术及设计方法；组成机电一体化系统的典型子系统；机电一体化系统的传统控制策略、现代控制策略和智能控制策略；机器人技术；数控技术；微系统技术；故障诊断技术和激光加工技术等。

2.机电一体化课程设计的教学要求

通过进行课程设计使学生了解或掌握如下技能：了解和掌握PLC在机电一体化系统设计中的应用；采用微型计算机（包括单片机）进行数据采集、处理和控制；选用驱动控制电路，对执行机构进行控制；精密执行机构设计，提出装配图和零件加工图；采用传感器进行反馈控制或作为测量敏感器件。

二、基于创新作品制作的机电一体化教学模式

1.创新作品设计开题——渗透创新能力体系理论

课程设计时，并不一定要对上面的内容面面俱到，但要对学生进行全面训练，则尽可能多涉及一些。为了让学生既要满足以上教学要求，又增加对该门课程的学习热情，在课程设计教学中渗透了创新能力体系理论，并且要求学生自拟设计题目，鼓励题目的创新性。当拟定题目后组织专业课教师与学生之间进行“师—师”、“师—生”、“生—生”讨论，探讨方案及题目的可行性。最后进行开题答辩，对于答辩通过的设计题目进行系统设计。

2.创新作品设计——引入创新能力体系设计软件

设计过程中，在采用原有设计软件的基础上引入如下创新能力体系设计软件：

（1）综合知识挖掘工具——Knowledgist。Knowledgist软件的主要功能是：采用语义处理技术可同时智能化处理多篇不同格式的文档，同时将文档中的知识点按主题含义分类，建立知识库，借助智能化的知识库索引，使用者不需阅读全文即可对文章内容一目了然。

软件特点：可实现网站处理和专利分析；并行使用一组通用搜索引擎，可同时搜索并处理所有的网站或某一工业类别中的站点，形成一个条理清晰的知识库。

Knowledgist软件的应用能够使学生在设计过程中不断了解工业动态，多方挖掘知识，对自己的设计思维增加信心。通过软件还可以进行专利分析，使同学们知道在机电一体化的设计过程中发明是层出不穷的，多名同学通过设计新思维进行了专利申请的策划。

（2）计算机辅助创新软件——TechOptimizer。TechOptimizer

软件是以TRIZ创新能力理论为理论基础，结合创造性设计方法，辅助工程技术人员、科研人员以及企业经营者进行产品改进、新产品开发以及获得突破性创新技术的计算机辅助创新软件。它以分析解决产品及其制造过程中遇到的矛盾为出发点，从而可以从根本上解决新产品开发过程中遇到的技术难题而实现创新，并可为工程技术领域新产品、新技术的创新提供科学的理论指导，并指明探索方向。

主要特点：根据用户需求，快速发现现有产品或流程中存在的问题，并给出高质量的解决方案；帮助设计者解决技术矛盾，避免妥协设计；加速新产品和工艺的研发过程；在概念设计阶段进行成本分析，有效降低产品成本；智能化的向导随时给出操作提示，软件使用更容易；自动生成分析报告。

通过对TechOptimizer软件的使用，使学生对自己的设计思路进行分析，在概念设计阶段就可以接触到机电一体化设计的前沿部分，学生自拟题目中多涉及可编程控制器、智能传感器、太阳能产品等。通过TechOptimizer软件，可以随时了解以上产品在工业中的动态，避免重复设计，并可以通过对类似产品的了解和学习，指导学生进行创新设计。

3.创新作品实物或模型制作——验证创新设计可行性

设计作品的实物制作是创新设计的重要部分，在题目论证阶段，通过师生的探讨，对于设计题目的成本进行分析。通常要求设计的产品能够制作出实物，由工程训练中心提供必要的机加及电路板等设备，指导学生完成成品制作；如果成本过高，则进行模型的制作。

实物制作可以使学生的设计作品更加贴近生活，而实际作品中也产生了大量贴近生活的创新设计。同时充分利用电学、力学、传感器等知识，对自己身边的生活进行改造，大大增加了学生对课程乃至专业的学习兴趣。同时要求实物制作还可以避免不切实际的设计，更加加深学生对机械、控制工程等相关学科严谨性的认识。

三、举例说明基于创新作品制作的机电一体化教学模式的应用

创新能力体系理论和创新能力体系设计软件，能够拓展学生的设计思路，并在设计中有良好的成就感。笔者在机电一体化课程设计教学中采用基于创新作品制作的教学模式，在机械设计及其自动化本科两个专业共57个同学进行的教学改革过程中，共有34个题目最终通过审核，成为各自的设计任务。对于没有通过开题审核的学生，可以进行传统课程设计。通过三周的设计，学生基本完成了设计任务、设计说明书、控制程序（包括可编程控制器和单片机控制），机械图纸部分也全部完成，并且大部分同学完成了成品或模型的制作工作。

最终通过本次设计，共有两名同学的设计申报了国家实用新型设计发明专利，并获得授权，分别为“一种可以防盗、防侧翻及减噪的新型下水井盖”（专利号：201020210628.1）、“一种基于逃生功能的汽车车窗改进设计”（专利号：201020210628.1）。另有6项设计也完成了查新和申报文件制作，拟申报专利。下面以第一个设计作品为例阐述基于创新作品制作的机电一体化教学模式的应用。

1.“一种可以防盗、防侧翻及减噪的新型下水井盖”设计简介

井盖被盗及由于车辆倾轧侧翻的现象时有发生，在保留普通井盖主要功能（掩井御物）不变的前提下，对普通井盖进行改进。通过从井盖及井圈结构的角度出发来设计，来减少普通井盖被盗及噪声给市民带来的安全威胁，进而完善实际的防盗、防侧翻及减噪的功能。

2.TRIZ分离原理在学生设计作品“一种可以防盗、防侧翻及减噪的新型下水井盖”中的应用

分析及设计过程如下：

（1）对目前普通井盖设计的分析——引入Knowledgist软件。通过对灰口铸铁井盖、硅塑井盖、水泥井盖等各种常用井盖的承载能力、使用范围、使用环境、使用寿命等多方面的分析，通过Knowledgist软件对现有的各种井盖在防盗、易侧翻等缺点进行分析，决定采用分离原理对井盖的开启装置进行改进。

（2）创新作品的设计创意——运用TRIZ分离原理。使用TRIZ空间分离原理进行创新思维，运用磁力瞬时性原理解决子系统冲突：磁力表座旋转按钮在九十度旋转范围内会使磁力从很微弱瞬间转变为很大或从很大瞬间转变为很微弱，根据此原理，设计了磁力开启装置，并将其应用于下水道井盖的研究之中。应用这一原理，在下水道井盖放好之后，如果想把井盖开启，不会像开启普通井盖那样容易，因为在井盖外表面没有开启洞眼，必须使用专门设计的专业磁力装置来开启。

（3）具體设计内容：设计内容主要包括两项。一是井圈与井盖连接处结构设计：设计楔形面和竖直面接触的结构。二是井盖外表面改造设计：主要包括设计无开启洞眼的外表面。

首先是井圈与井盖连接处结构设计，为了使井盖能够防侧翻及减噪的功能，把井圈与井盖的连接处设计成楔形面和竖直面接触的结构。楔面能够使井圈与井盖的接触面积更大，进而能够减轻因接触间隙而产生的噪音，而竖直面能够产生最大的扭矩，进而起到防侧翻的功能。

其次是井盖外表面改造，设计的新型井盖是没有开启洞眼的，其目的就是为了让盗贼没有可乘之机偷盗井盖。同时设计了专业的井盖开启装置，其核心结构也是这个磁力装置。

在下水道防侧翻井盖设计过程中首次使用磁力机构，最主要的特点就是整个设计构件没有用到电力设备，不用大量的材料，加工成本较低，而且本次设计的下水道防侧翻井盖结构简单，操作方便，能够实现大规模的生产和实际的应用 。

3.设计总结

本次设计充分利用了现代设计理论TRIZ中的分离原理，使井盖在平时状态下无法开启，并设计了专用的开启装置，整个设计使用了机电一体化设计中的机构设计、磁力学设计，并且根据设计环境避免了电学设计，达到了机电一体化设计的要求同时，增强了设计的兴趣。同时要求学生进行样品制作，学生最终完成了模型制作，并申请了实用新型专利，获得了授权。

四、结语

学生个性及创造性的培养是工程教育的关键所在，因为“工程师创造未来的世界”。工程师的任务是发明和创造，将已有的科学技术成果转化为实际的工业技术与产品，依赖于工程师的创新能力。

机电一体化技术是机械设计制造及其自动化学科的重要专业课，在教学中培养学生的创新思维具有重要的意义，也为学生未来工作中的设计理念打下一定的基础。改革过程中笔者有以下体会：第一，大学生通常具有很强的创新需求，需要指导教师加以引导，在教学过程中帮助学生树立发现问题并且解决问题的信心。本次改革取得了良好的教学效果。第二，大学生想象力丰富，这些题目增加了教师的工作量，对教师的个人设计能力及应变的能力和设计经验也提出了很大挑战，需要教师本身树立创新意识，并且通过不断的学习提高解决问题的能力。第三，本次改革中有11名学生（约20%）没有完成创新设计题目论证，最终还是进行了传统题目的设计，也有学生最终没有完成成品制作。除去学生个人原因，这一现象也值得教师思考：创新思维训练是否在学生入学之初就应该提倡和推广？面对不同的就业层面和社会需求，高校是否能够考虑重点课程的多元化考核出口？这些问题尚需继续研究与探讨。

参考文献：

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（责任编辑：王意琴）