基于知识供给和流动规律的机械设计专业创新人才全息培养

曹蔚 朱育权 杨科 田建辉 沈云波 彭润玲

摘 要：文章研究了机械设计过程的知识流动规律，分析了产品创新设计关键因素，进行了机械设计专业创新人才培养的教学改革探索。以产品设计过程中知识流动规律为主线，科学育人，加强学生创新能力和素养的培养；在此基础上以学生为主体，教师为辅助，构建校园机械设计知识服务体系；综合利用多种现代机械设计手段，形成多角度全息机械设计创新人才培养模式。

关键词：知识流动；机械设计；创新人才；全息

中图分类号：C961 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2017）16-0020-04

Abstract： In this paper， the rule of knowledge flow of mechanical design process is studied， the key factors of innovative design of products are analyzed and the mechanical design innovative talent training progress is reformed. Based on the rule of knowledge flow， students are trained scientifically and the cultivation method of students' innovative ability and quality is strengthened. Then， students， with the teacher's assistant， can build the knowledge service system of campus mechanical design. Through comprehensively utilizing a variety of modern mechanical design methods， the innovative personnel training mode of multi-angle holographic mechanical design is constructed.

Keywords： knowledge flow； machine design； innovation personnel； holography

一、概述

机械产品的创新、快速设计已经成为制造业竞争的焦点，设计知识的有效积累、流动和供给是产品创新设计的内生动力。因此，必须深化机械设计专业人才培养方式改革，结合机械产品设计结构层次性的特点，研究产品全生命周期信息知识的表示与集成，从多层次全方位角度研究机械产品设计知识流动规律， 以该规律为主线，将其贯穿机械设计专业的各项教学活动，全面提升学生的创新能力和工程素质。

二、机械设计专业方向人才培养现状

目前，国内特别是西部高校机械设计专业人才培养在教学理念、方法和手段、创新能力等方面尚不完善，具体表现如下：

（1）教学仅注重已有理论知识灌输，缺少对学生获取设计新知识和整合已有知识能力的培养，未从机械产品的生命周期、设计结构层次等角度分析产品设计的基本要素，难以提高学生创新知识应用能力。

（2）设计训练基本上都是传统机械产品设计分析，设计过程按步就班，设计方法缺乏新意。这样的设计训练虽然能够加深学生对机械设计专业主干课程基础知识的理解和掌握，但却不利于激发学生的探索创新和自主研究精神。

（3）创新创业实践活动缺少对分布式资源环境和知识服务平台的有效利用，较少借助互联网+、智能化平台、大数据等手段获取新知识以进行机械创新，没有实现设计知识流动。

三、多角度的全息机械设计创新人才培养模式构建

基于知识流动规律，以学生为主体，以培养创新设计知识获取能力为中心；优化课堂教学、改进设计训练过程、革新课外实践活动；多方协同联动，形成多角度的全息机械设计创新人才培养模式，如图1所示。

图1 多角度全息机械设计创新人才培养模式

四、实施措施

（一）探索知识流动规律，革新机械设计教学理念和方法

1. 立足知识流动本质-挖掘产品创新设计关键因素

传统设计专业教学多注重具体理论知识点的灌输，对学生的创新精神和创新思维缺少引导和训练，归根究底是没有厘清产品创新设计中的关键因素。

机械产品创新设计关键因素包括创新精神、创新点、创新理论与方法、创新设计知识服务平台及知识流动几方面的因素，关键因素与创新设计能力及创新知识的关系模型如图2所示。

图2 关键因素与创新设计能力的关系模型

基于上述设计过程关键因素的认识，机械产品的设计知识将得到进一步分层。

2. 细化知识类别-机械设计知识分层表述

在传统机械设计人才培养过程中，过于关注知识点细节，忽视各知识点在产品设计过程中的作用及彼此之间的区别与联系。学生设计过程中也侧重围绕各孤立的知识点展开，缺乏对系统总体上的理解和把握。因此首先需要将机械设计知识分层表述，如图3所示：

图3 机械设计知识分层表述

新產品设计过程可以分为概念层、系统层、零件层等几个层次，不同层次的设计流程以及所需的知识类型完全不同。

在教学过程中，教师有必要根据内容所属的不同层次选择关键知识进行讲授。

3. 打破思维定势-营造基于知识流动供给的现代设计理念

在认清机械设计关键因素后，首先可将创新思维贯穿始终，引导学生打破思维定势。例如： 在产品确定功能后，教师可利用一个准确的脱离结构的描述来激发学生的创新思维。

为改变传统机械专业人才培养将整个机械设计过程割裂，各部分知识独立的现状，在厘清机械设计知识流动规律及其设计知识表述方式后，将原设计类课程内容重新组合，按照知识供给和流动的规律来培养学生。例如在机械产品设计的过程中，向学生灌输知识集成的概念，培养学生在掌握已有知识的基础上，学会如何对多类知识资源进行集成。

以往的机械设计人才培养过程中，各门主干课程割裂，给学生的感觉就是每门课学完往往不知有什么用，整合运用知识能力很差。因此遵循设计过程知识流动规律，给学生适当的启发，引导学生提出问题、搜索已有知识、获取已有知识、集成创成新知识，最终解决问题。调动学生的主观能动性，在潜移默化中增进创新设计能力的培养。

（二）优化知识供给， 构建校园机械设计知识服务体系

在吸纳整合其他社会资源的基础上，运用互联网+思维，构建以高校为基础、融合多源知识单元的全息设计知识服务体系，从“知识流动”角度引领机械创新设计。动员和激发广大师生广泛关注，营造浓厚的校园知识流动氛围，将创新思维、知识流动规律、创新设计训练贯穿机械设计专业学生培养过程中，培育了与高等教育相融合的“校园知识服务”创新产品设计文化。

如图4所示：我校利用微信、QQ、短信、贴吧等交流平台构建校园机械设计知识服务体系，形成校园知识流网络，面向全校提供知识服务。平台与校内幕课、微课平台互相补充。

图4 校园机械设计知识服务体系

通过搜索校园机械设计知识服务平台已有的知识和服务，产品的各项功能与某一领域的知识对应起来，将所有的知识服务组合最终获得一个全新的机械产品。从而完成了概念层的设计。

（三）推动知识流动，革新机械设计实践环节

1. 基于知识分层的设计思维训练

机械设计专业人才的培养应更加注重培养学生的创新思维和知识获取能力，因此我们引导学生沿着概念层、系统层、零件层等设计过程的几个层次路线依次完成课程设计任务，帮助学生经历机械产品设计知识流动全过程。要求学生完成需求调研、功能分解、机械零件选型与组合、最终获取知识完成运动学和动力学计算分析等。如图5所示为机械设计专业课程设计知识流动全过程。通过知识分层，从本质上培养学生的创新思维，促使学生主动获取创新设计的专业基础理论知识。

2. 基于资源共享的项目训练

毕业设计等环节的实训题目与科研案例结合，综合利用多角度多方位手段。以学生为主体，教师只起辅助引导作用，鼓励学生利用网络环境和各类设计知识服务平台获取新知识，对海量信息进行合理筛选匹配，整合各资源单元的知识服务项目，创成新知识，构建自己的知识流网。

如图6所示：我校开发了校园现代机械设计知识服务平台，实现资源共享、优势互补。充分发挥桥梁和纽带作用，连接校园与企业，沟通学生和实施单元，可服务于大学生创新设计和就业创业。

另一方面师生可以借助现代机械设计知识服务平台观摩企业实际机械产品设计案例，增强实践经验，实现了“走出去”使机械设计专业学生深度参与机械设计知识流动过程。

3. 基于设计过程训练的课内外感性认知

利用选修课等课余时间培养学生应用现代设计理论、方法和手段解决实际问题的思维方法和基本技能。培训学生用三维建模及有限元分析软件进行机械系统建模和分析，提升学生兴趣，为创新设计知识流动提供有力支持。如图7所示：通过选修课学习，学生需完成某机械零件或系统的三维建模及有限元分析训练。

实践环节在机械设计专业人才培养过程中不可或缺。我校将实践能力培养与创新人才培养结合，一方面，机构运动创新实验室引进了机械方案创意设计五位一体化实验仪（如图8所示），建设机构模拟实训平台，通过利用该实验装置进行现场实践，让学生亲自动手设计，培养感性认知能力，进一步获取机械系统基本机构的关键知识。另一方面借助知识服务平台，使学生得到“机构方案选型-尺度综合-分析”一系列完整的设计训练。

（四）加速成果转化，发挥示范效应

为加速成果转化，我校有针对性地引導社团成员参加课外实践与竞赛活动、按照设计过程的层次步骤进行创新设计训练，结合设计知识流动规律引导社团学生去获取整合知识并完成任务，要求团队成员利用已有知识提出问题，采取各种手段获取知识，整合资源，得出设计结果，刺激团队内部知识融合与流动，激发创造潜能。

近几年我校学生借助知识服务平台开展大学生机械创新设计、三维造型设计大赛、“互联网+”大赛等各类创新设计活动与项目，获得多项国家级和省级科技竞赛奖励，学生积极与指导教师联合申报专利、软件著作权等。近三年来，本专业学生参与发表科研论文40余篇，申报各类专利、软件著作权等近120项，授权发明专利14项，实用新型专利38项，外观设计专利7项，获软件著作权28项，取得了良好的效果。促进了科技成果转化，充分调动学校广大教师的积极性，发挥了示范效应。

五、结束语

针对机械设计方向育人现状，我校立足高校优势资源，基于知识流动规律，以学生为主体，从教学观念、教学环节和实践环节等几个方面进行改革。形成了机械设计专业主干课程新型教学方式与教学内容，借助现代设计知识服务平台和互联网进行设计资源组织和机械创新设计，在学生已具备专业知识的基础上，逐步形成获取组织设计知识的思维习惯。通过参与教师课题项目和各种专业竞赛，指导学生进行典型机械装备与产品的设计分析，使学生学会利用外部的知识服务与专家资源解决产品设计开发中碰到的技术问题。构建学生自主创新、设计方案分析与设计资源组织的能力。

本项目的实施，使众多学生受益，不仅使学生获得创新设计的完整训练过程，同时又能使学生在设计过程中成长为创新知识的传播者、实践者和最大获益者，很大程度地调动了学生自主获取知识积极性。借助设计平台，学生根据自己的需要获取已有知识和方法，进一步使已有知识在实践中更新，进一步形成新知识。激发了学生内在的求知意识。培养学生的创新精神和能力，成功地将知识内化成综合实践能力，最终实现创新设计人才的螺旋上升式成长。本项目培养模式的改革也可渗透应用到其他专业方向的各教学环节中，以机械创新设计关键因素为抓手、以产品设计知识流动规律为主线，以分布的知识资源为支撑，最终构建多层次、多角度、多维度的全息机械创新人才培养模式。

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