基于创意机械装置综合性实践课程建设

郭 巍， 杨建新， 陈远洋， 孙闻溪

（清华大学 基础工业训练中心， 北京 100084）

0 引言

通过本科教改项目，建设“劳动教育+多学科交叉”的综合性实践课程， 满足国家和学校对综合性创新人才的培养需求。以创意机械装置作为项目载体，改变了以往金工实习、机械原理、机械设计等课程之间缺乏交集的传统教学模式，将这些课程的相关知识有机融合在一起，引导学生自主解决设计、制作过程中出现的问题，增强学生的创新实践能力。

1 课程建设内容

在教学对象上，以创意机械装置作为项目载体，鼓励不同专业背景的学生探索艺术木偶与运动机构融合的可能性，最大限度地培养学生的创造性思维。 在教学实施过程中，既提倡学生使用传统材料和制造技术，也鼓励学生尝试新型材料及数字化制造方法， 鼓励学生进行广泛的创新实践以及跨专业、跨媒介的协作。

基于CDIO 的实践教学模式，充分发挥学生的主观能动性，避免冗长枯燥的理论介绍。 在构思阶段注重激发学生的艺术灵感和生活乐趣，在设计阶段将上层动作表演与下层机构传动一体化设计的概念传递给学生， 在制作阶段引导学生注意零件的结构工艺性设计以及如何综合利用现有的各种加工技术， 在作品运行展示阶段综合采用视频、海报、网络等多种宣传推广方式。

在课程实施过程中， 根据不同学生的知识和技能水平调整作品成果难度要求，做到因材施教。 对于动手能力强的学生，设定难度系数较高的立体木偶作为表演部件，对于没有实践基础的学生， 采用容易上手的平面木偶引导入门。 通过强调创新性地使用木材制作功能性展示主体，搭配多样化机械零件构建运功机构，最终实现“木工+机械+艺术”的深度融合。

探索将劳动教育与创新成果相结合的综合性实践教学评价机制， 以学生在课程中获得的各项能力为基本出发点，从不同方面入手评价学生的学习收获，包括：专业知识与技能水平的提升、主动发现与解决问题的能力、用切实可行的手段将自己的创造性想法付诸实现的能力。

2 创意机械装置课程实施案例分析

通过创意机械装置的具体制作流程来进行案例分析，本案例具有学科交叉融合的特点：

2.1 作品的构思与设计

学生在构思自己的automata 作品时， 借鉴了美国动力学雕塑家安东尼豪的设计灵感，见图1。这种创意风格的作品视觉效果很魔幻，所以他也被人称为风之魔法师。里约奥运会开幕式上的大型动态艺术装置就是他的作品之一。 他作品里面那种流动，旋转的节奏，以及里面所体现出来的自然、科学、和机械美学的结合给学生创造了设计灵感。 学生以此作为设计来源，用自己设计制作的automata 去实现一种独特，连贯的视觉效果。 流畅丝滑的传动效果融合精美的异域纹饰， 最终展现对美的追求是学生创作的终极目标。

图1 安东尼·豪的艺术作品

有了初步设计构想，就要将想要实现的动作通过机构表达出来，在设计传动装置的具体细节时，要先为它设计一个传动装置。这套装置能够实现要表达的丝滑流畅的效果。此时名画克劳德·莫奈画的《撑阳伞的女人》，见图2。女孩在微风中衣裙飘飘的形象给了学生很好的设计灵感， 通过网络查阅资料选定了波浪机这种成组的凸轮传动装置去实现这种裙摆在风中飘动， 上下起伏的状态，见图3。

图2 撑阳伞的女人

图3 凸轮成组波浪机

2.2 作品的制作与改进

制作过程中首先确定作品传动部分的连接细节和具体尺寸。 因为波浪机传动部分以凸轮为主体，需要大量凸轮，且精度要求很高， 所以决定采用激光切割的方式去制作凸轮。 由于最终设计的构想是要实现丝滑流畅的传动效果，前期需要大量的尺寸计算，由于学生来自不同院系， 草图构思设计部分不过分强调使用专业制图软件绘图。 凸轮及各传送零件草图，见图4。

图4 零件尺寸绘制的草图

确定好草图尺寸后， 需要确定零件加工制造方法，根据课程目标是让学生在体验创意机械装置全生命周期制造过程的同时， 能够跨学科了解更多的加工制造方法，根据学生这个创意机械装置的特点，可以选择激光或者数控铣加工，由于凸轮及上部表演部件的圆环外形轮廓相对单一，但数量较多，因此选择激光加工，当然，在这个过程中，强调的是让学生了解加工制造方法及原理，并不是培养学生单一的学习某种工艺技能。图5 是根据草图绘制的电子图，可以进行激光加工，也可以采用数控进行铣削。

图5 CAD 零件图

绘制好图纸排好版就可以进行激光切割，切割后由于激光高热会使零件边缘变黑，所以使用由低到高钼数的砂纸进行打磨、以呈现最后的展示效果。 激光加工见图6。

图6 激光切割表演部分圆环

在所有零件全部打磨好之后就进入了组装调试阶段。这一步要先用双面胶初步固定，调整好角度再用木工胶水固定。 初步调试见图7。

图7 凸轮部分组装调试效果

凸轮组装完成后， 将φ2mm 的铜棒锯割好尺寸插入上固定板中， 因为所有零件尺寸和整个组装过程都经过了反复测量与精细计算， 所以在组装完成后基本可以实现顺畅的转动。

图8 插入剪好的2mm 铜棍，测试小孔和凸轮是否齐

2.3 艺术纹饰结合机械装置实现最好的表达效果

同学在方案做到这个时候， 发现波浪机这种传动装置没有办法很好的去模拟裙摆这种过于飘逸和随机的自然形态，一开始设计的关于表演部分的方案可能行不通。这时需要充分发挥跨学科的相关知识， 用学生相关的专业课内容结合创意装置对最初的原创设计进行迭代，学生通过几种预想方案的比对， 决定将传统纹样绘制在波浪机的传动装置上，利用波浪机独特的运动状态，去动态地、立体地呈现一个传统纹样的生命力。

在仔细挑选之后， 决定采用澳洲原住民艺术作为表面涂装的灵感来源，因为在这种艺术形式里，图案以圆形漩涡纹为主，辅以少量的直线几何纹饰，和已经制作好的圆环状的表演装置很搭。 而且里面出现的蜥蜴，袋鼠，鱼之类的动物形体都很简化， 体现出一种原始生殖崇拜的野性的生命力。 图9 为澳洲原住民艺术插画。

图9 澳洲原住民艺术插画

学生选择的澳洲原住民艺术中所有的漩涡都是彩色的点组成的，所以在画automata 上顶板的时候，用各种各样直径的铜棍或木棍沾上丙烯颜料按在板子上， 点完了所有的图案，这个环节给最后呈现效果注入了灵魂。

至于表演部分的纹样， 因开始设计时的尺寸误差导致圆环宽度不够， 这个缺陷不利于俯视时纹样的视觉呈现，办法总比困难多，课程上每一处失败的教训最后都将凝聚为宝贵的财富，学生临危不乱、积极应对将图案绘制在白纸上， 并将绘有图案的白色卡纸剪成了比木环稍宽的圆环粘贴在木环上，完成了表演部分的制作。上顶板及俯视呈现效果，见图10。

图10 上顶板及俯视纹饰呈现效果

经过前期设计-制造-装配-调试-涂装的过程， 最终的作品传动十分顺滑， 视觉效果也让人感觉到传统纹样在呼吸和律动，很神奇。学生对这种从未接触前所未有的体验都很惊奇， 也对自己能够完成体验产品的全生命周期过程非常满意。图11 为作品细节图及学生设计的产品宣传海报。

图11 创意机械装置细节图及海报

3 课程建设发挥的作用

创意机械装置综合实践教学课程的建设及运行过程中凝聚实验室全体实践指导人员，有目标、有计划、高质量地完成课程建设任务， 相关课程教学资源服务于工程能力教育、工程素质教育、创新创业教育及科研成果转化。

在实验室建设中发挥了几个方面的重要作用：

（1）为本科生学科交叉融合工程训练培养开创了新模式。通过课程建设，探索将劳动教育与创新成果相结合的综合性实践教学评价机制， 以学生在课程中获得的各项能力为基本出发点， 从不同方面入手评价学生的学习收获，包括：专业知识与技能水平的提升、主动发现与解决问题的能力、 用切实可行的手段将自己的创造性想法落实到最后作品上的能力等。 探索跨实验室融合式工程实践教学模式， 提高学生主动参与实践的积极性的同时又提高学生的综合工程应用能力。

（2）综合提升实验室指导人员技术水平，挖掘实验人员创新能力。跨学科、跨实验室课程建设为实践教学创新提供了新的挑战和机遇， 为提升实验室指导人员技术水平、挖掘创新能力提供了方向和思路。通过本次教学平台的建设及课程实施， 实验室人员的创新能力与实验技术水平都有了大幅度的提升，具体体现在：人员协调、统筹管理、论文撰写能力等方面均有显著提升。本次成果参与教师，在课程建设中，凝练基于CDIO 实践教学模式，充分发挥学生的主观能动性，避免冗长枯燥的理论介绍，探索融合创意设计、手工制作、机械加工的综合性项目实践教学模式和运行机制， 为培养创新创业型人才奠定了坚实的基础。

（3）全生命周期沉浸式实践方式，获得了良好的教学效果。产品的设计及制造是一个庞大的体系，在平台教学载体的实施过程中尽可能的将多种生产制造模式进行相互交融，互相融合，从而呈现最好的设计效果，将教学资源合理有效利用、 全生命周期的体验能够让学生获得系统、全面、实际有效的解决工程领域问题的能力，有助于学生日后继续深造。

（4）创意机械装置教学载体市场潜力巨大。创意机械装置逐渐向艺术设计领域渗透， 其商业价值开发切入点包括且不限于艺术品收藏、 儿童科普科教开发、 玩具设计、家居美陈、主题展览式场景搭建，让停留在纸面上的设计变得真实且生动， 这个特点使其具备相当大的引流价值，也为学生创新创业提供新思路。

（5）为科研探究、SRT 项目提供重要的科研基础条件。教学载体融合多学科、多工种、材料选择的多样性引发了学生的创意热情，为开展SRT 奠定了良好的基础，创意机械装置零件的精密加工涵盖目前国内较为先进的在机检测技术，为科研探究提供了很好的实验平台，通过平台项目的实施提升了教学队伍的教学水平及科研能力。

4 结束语

通过完成本次创意机械装置综合实践教学课程建设，有效解决了实践教学学科交叉、工种融合的重难点问题，推动了实践教学环节中学科交叉、跨实验室的有机融合。 使学生系统、全面的对于产品工程制造进行创新式、探索式的学习，使学生具备了合理分析产品设计、制造工艺的能力； 对于项目的具体实施和规划得到实际演练及应用；对于成本核算、团队协作及解决实际工程问题有了更深刻的体会。跨学科、跨实验室融合式工程训练模式将以往单一模块小工种实习方式转变为提升系统工艺知识、创新设计能力、工程管理能力的综合实践课程，为培养综合工程应用能力与工程素养的人才奠定了基础。