以仿生学为载体实践《机械原理》课程的创新教育

邵立新，段立霞

（1.河南职业技术学院，郑州450000；2.安阳工学院，河南安阳455000）

“创新是一个民族进步的灵魂，是国家兴旺发达的不竭动力。”高等教育作为培养高水平创新人才，发展高科技，提高国民素质的重要阵地，将面临更为严峻的挑战。创新教育，贯彻知识、能力、素质并重的教育思想，加强素质教育，培养创新能力，是贯穿整个高等教育的主线，是一项艰巨的系统工程。

习近平主席在2014年国际工程科技大会上提出：“一项工程科技创新可以改变世界”，强调工程科技是改变世界的重要力量，发展科学技术是人类应对全球挑战、实现可持续发展的战略选择。为适应人才培养的需要，高校的创新教育已进入了一个新的阶段，从教学理念、人才培养方案、教学内容、教学手段和教学方法等方面进行了全面的配套改革。在这样的大形势下，就如何在《机械原理》课程中有计划、有组织、有系统、有重点地传授知识，发挥机械专业学生的主观能动性，培养机械专业学生的创新能力，是《机械原理》课程教学改革中的重点与核心，也是机械设计专业人才培养的主要目标之一。本文以仿生学为载体进行探讨。

生物在自身进化及自然选择的长期作用下逐渐地形成了独特的特性和功能，这些独特的特性和功能为人类解决工程技术问题提供了大量的设计原型和许多创造性的设计方法，给我们进行技术创新提供非常重要的启示。纵观历史仿生学的概念在进行着不停地演进，由最初的最简单的对生物的机械的模仿，到达了用自然设计灵感的一个飞跃式的渐进的创新的过程。将通过观察、分析、研究掌握的自然界生物所具有的各种特殊本领，并模拟、移植到各工程技术领域中去而形成了我们人类的仿生学，按照生物系统的结构和性质为机械设计提供新的设计思想及工作原理，并达到新产品的设计更加经济、合理、高效和可靠的目的。通过结构仿生在机械领域中的典型应用，我们可以明了结构仿生在机械结构设计领域中的问题，从而解决这些问题达到我们的科技创新的目的。

1.结构仿生技术开拓机械设计的创造性思维

1.1 培养机械专业学生创造性思维的能力

创造性思维是一种最高层次的思维活动，具有综合性、跳跃性、新颖性、自觉性、顿悟性等，是创造活动的核心，是创造发明的源泉，是创造原理和创造技法的基础。创造性思维能保证机械专业学生顺利解决问题，能深刻地、高水平地掌握知识，并能把这些知识广泛地运用到学习新知识的过程中，使学习活动顺利完成。引导机械专业学生突破思维定式是培养机械专业学生创造性思维最主要的方法之一。就仿生学对机械专业学生创造性思维的培养而言，首先我们以扑翼飞行器为例。

昆虫翘的结构比鸟翼要简单得多，但翅膀的超轻质、高强度、自适应变形等性能非常突出，如蜻蜓翅膀是由非常轻的网状构架的平薄膜材料构成，但是却能产生非凡的动力，如由sri国际研究公司研发的仿蜻蜓飞行姿态的扑翼飞机已经试费成功，NAsA的喷气试验室也成功试验了蜂鸟和蜻蜓的自主控制和导航系统；乔治理工院与英国剑桥大学、ETS实验室合作研制的模拟天蛾翅膀结构的扑翼昆虫机“ENTOMOPTER”，机械翅膀能够像昆虫一样飞行，另外，国际上的扑翼飞行器也取得了一定的进展，这些对昆虫飞行能力的破译必然会推动人类对现有飞行器的改革，这是各国发展微型机械飞行虫的改革，这是各国发展微型飞行虫技术加以仿生借鉴的核心，而这种昆虫飞行功能研究已经成为昆虫仿生领域最重要的方面。

仿生学发展为机器人的设计提供了解决问题的思路与方案。如动物身体结构、运动方式、自由度分配、铰链设计以及系统控制等都是机器人设计的重要依据，通过研究生物原型的相关规律往往可以找到更好的解决问题的方法。

再次是南航对壁虎脚掌纹的微观结构进行研究，为爬墙机器人的发展提供了依据，动物的灵活高效且适应能力强的运动机构令设计者羡慕不已，许多的仿生设计工作也已开展，如仿蟑螂的机器人以及仿龙虾的机器人等，科学家（ZHAO T.S）等对海蟹的行走机构、系统参数和运动机理进行了研究，科学家陈殿生从蝗虫和龟类的翻转研究中得到灵感，设计了移动弹跳机器人，在微型机器人方面，昆虫为微型机器人的设计提供了大量的仿生的原型，研制具有昆虫足样行走能力的机器人或虫样蠕动的微型机车，可被用于行进到崎岖不平的山路或其他非平坦地带执行特殊任务，如在汶川的大地震后在墙倒屋塌的废墟中就有这样的机器人在执行特殊的任务。这样抓住了机械专业学生的好奇心，激发了学习的兴趣，也锻炼了创造性思维。

1.2 培养机械专业学生的创新技能

创新技法是解决创新设计的创意艺术，是人们对创造性思维和创造理论加以具体化应用的技巧，创新技能是反映创新主体行为技巧的动作能力，包括创新主体的信息加工能力、动手能力或操作能力及熟练掌握和运用创新技法的能力、创新成果的表达能力和表现能力及物化能力等。机械专业学生从机械原理才开始真正的接触机械，一般不具有丰富的设计经验，进行创造性地设计新机构往往不知如何下手，在讲课过程中穿插机构创新设计技法，帮助他们构思和设计新机构，为培养机械专业学生的创新技能打下坚实的基础。

联想、类比在课堂讲授中是最常用的创新技法。机械原理中机构的倒置可以形成新的机械。例如，就仿生学的仿生减阻，主要包括土壤减阻、空气减阻和水流减阻等。吉林大学通过研究典型土壤动物蜣螂、黄鼠的体表面，形成了比较完善的生物脱附与机械仿生研究理论体系，基于土壤动物体表非光滑结构的仿生，非光滑结构已经被证实具有良好的防粘、减阻性能。“发现鲨鱼表皮齿状突起能保持水流的流态，可以有效地减少表面的摩擦阻力和压差阻力，基于鲨鱼皮的减阻表面结构，已经完成飞机模拟试验，牵客320客机的机身和机翼表面增加仿鲨鱼皮结构后，降低了6%的空气阻力。基于仿生学的水上研究推进取得了很大发展，如北航的仿生机器鳗鱼的机器人以及国外的许多仿生机器人都提高了水下的推进效率，这对改进潜艇与水上交通工具意义深远。

另外就飞行器设计而言是结构轻量化。结构轻量化是飞行器设计的重要课题，岑海堂借鉴竹竿的细观结构和排列方式，仿生设计了仿生翼身结合框，仿生结构与原型相比重量可减轻2.1%。马建峰等将蜂窝结构应用于飞机机翼加强框的设计中，提高了结构的比强度。此外，在机床结构件的设计中，赵岭利用结构仿生方法改进了工作台和移动横梁筋板结构，在降低质量的前提下获得了更好的动静态力学性能。在F.1方程式赛车的变速箱、车架等承力部件以及日本的新干线车厢壳体中都采用了铝合金、碳纤维等高性能材料的蜂窝结构板来实现轻量化，使抗撞击性能更好。车身结构轻量化是当前结构仿生的重要应用领域。这样既可以节约授课时间又可以培养机械专业学生的创新技能。而且这种技能的引导却可以增强机械专业学生的信心，揭开创新设计的神秘面纱，树立良好的创新性意识。

1.3 激发创造性，在《机械原理》课程教学中发挥教师主导性。

人人有创新的欲望，人人都有创新性。创新教育就是让所有的机械专业学生都能够自由发挥，在自己擅长的方向取得理想成绩。因此，机械专业学生和教师的角色要进行转换，关系要改变。教师角色应该由原来处于中心地位的知识讲解员、传授者转变为机械专业学生学习的指导者、帮助者、促进者，教师要在教学中强化创新思想，是创新教育的主导者；机械专业学生角色应该由原来的被动接受者转变为主动参与者．成为知识的探究者，机械专业学生是创新教育的主体，要在学习中强化创新精神，形成一种师生互动的良好局面。再如仿生学中的机构仿生设计。在模拟生物体优异运动机构方面也取得了许多创新性的成果。植物叶片的收叠和伸展功能起着保护嫩叶免受外来损伤的作用，如许多热带植物一旦碰到温度急骤下降就利用叶片表面波纹结构的收叠功能来避免霜冻危害。人造卫星和航天装备研究人员受到植物叶片收叠和伸展特性的启示，将植物叶片的这种功能用于航天飞船的天线和大面积太阳能电池的设计中。根据长颈鹿血液循环系统的独特机构，发明了超音速战斗机的抗荷飞行服。航天科学家受苍蝇平衡器后翅的肩示，成功地研制体积小、重量轻的“谐振陀螺仪”。蝴蝶的身体表面生长的一层极小的鳞片能够调节体温，仿生研制的人造卫星的温控系统能够避免温差损毁精密仪器等。

这里要讲的是进行创新教育，首先要求教师应该以身作则，丰富自身的知识结构，强化自身的创新意识，进行创新性教学。教师要转变传统的教育观，培养机械专业学生的自学能力和创新性品质。教师要学习和掌握创造性原理和创造性方法，并有机地运用到教学中。教师要掌握现代教学手段，才能够得心应手进行创新教育。教师要有很强的业务素质与课堂讲授艺术，课堂活动才可能既组织有序又生动活泼。作为一个主导性而不是一个说教性的教师，要尊重、信任、启发机械专业学生，做到民主、平等、自由、公正，机械专业学生才会敢于发表自己的见解，提出自己的质疑；才会变得生动活泼，积极主动，表现出强烈的求知欲和蓬勃的创造力。教师要积极引导机械专业学生在学习中再次发现、重组知识，联系实际，动手、动脑解决问题。例如：讲机械系统方案设计时，要提出一个科研课题的内容，先讲解它的功能．最后落实到需要解决将电动机的旋转运动转换成往复直线运动这样一个阅题，要使机械专业学生感觉学有所用，有成就感和充实感，奠定了良好的学习心态．激发了创造意识和创造热情。

2.规划创新程序，在《机械原理》课程中实践创新教育。

所有的创造性技法都要依赖于机械设计知识的积累，所有的创造性技法都要归结为一种产品的诞生。《机械原理》教学中的创新教育主要体现在进行创新设计。创新设计的程序涉及如何选题与如何进行两个方面。创新设计的选题具有非常重要的地位，它直接关系到设计和产品的创新性，同时选题本身也是一个创造性的思维过程。

随着人类对资源、环境的重视程度逐渐增加，迫切需要改变我国机械设计行业中的保守设计思想。传统而粗放的生产制造过程必须得到改善，学习生物结构的优化方法将为节约原材料发挥积极作用，其应用也会日趋广泛。

第一是从结构仿生在机械设计中的应用过程来看，其发展的主体趋势为：最初外形结构的机械模仿，随后的内部结构原理的理性分析，现阶段注重结构与功能、材料、制造等方面的综合分析。

第二是结构仿生的研究内容：从宏观的形态模拟，到细观的功能原理，再到微观组织构型，内容在不断深入和扩大。

第三是结构仿生的研究方法：注重对生物结构的微观观察和分析，多采用数学建模、力学分析及有限元的方法进行仿真分析，再通过对仿生样件的试验验证。结构仿生正逐渐成为创新研究的重要方法，并已成为提升科学技术原始创新能力的一个重要方向。

第四是结构仿生的发展方向：正向着微观化、系统化、智能化、精细化的方向发展，使各学科间的联系日益密切；结构仿生衍生了新的仿生方向，特别是随着对基因组、蛋白质结构、脑与神经结构与功能的认知，推动了以解读生命信息为目的的计算仿生学的发展。

3.结束语

注重素质教育、培养创新能力是当前教学改革的方向，创新教育要贯穿在机械教学中，要激发创新意识，培养创新思维，积累创新技法，强化创新训练。仿生学已成为培养机械专业学生创新性思维的重要载体。

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