改进机构实验设备 培养学生创新实践能力

摘 要 分析已有机构创新实验设备功能不足的问题，提出对该设备进行改进的措施，使其功能满足更多机构创新设计实验，同时讨论提高机械类大学生创新思维和机构创新实验设计能力的方法。

关键词 实验设备；机构创新；思维方式；创新能力

中图分类号：G642 文献标识码：B 文章编号：1671-489X（2012）33-0031-02

1 引言

创新能力培养包括创新意识的建立、创新思维方式和创新方法的训练等方面[1]。对于机械类大学生而言，机械原理及实验就是培养学生创新思维和创新能力的理想课程。尤其机构设计实验已越来越多地融入创新思维和创新技能训练的内容，不仅要求学生掌握机构演变创新方法和技能，如机构运动变换法、机构运动副变换法、机构同性异型变换法、机构反求变换法等[2]，而且要求学习和掌握好这些方法背后的创新思维方式，如发散性思维、收敛性思维、形象思维、抽象思维、直觉思维、联想思维、类比思维、逆向性思维、差异性思维等[3]。

训练思维方式和机构创新技能必须要有良好的实践条件，即需要功能较为完善、可以满足学生思维和技能训练的机构创新实验平台。遗憾的是，目前的机械创新实验设备要么是单一机构实验台，如凸轮机构实验台、曲柄滑块机构运动参数实验台等，要么是只能实现部分机构实验的设备，如平面机构创新设计实验台。即便是机械系统综合实验台，也只能实现部分机械系统组态实验。因此，机械创新实验设备功能的严重不足是机械专业大学生创新思维和创新能力培养的一大障碍。如何改造现有创新实验设备，增加其功能，是实验室教师非常关注的问题。本文旨在探讨如何改进现有机构实验设备功能，改善其创新设计实验效果，有效提高学生创新实践能力等问题。

2 实验设备功能缺陷与改进

重庆交通大学机械原理实验室于2006年购进5台平面机构创新设计实验设备，供学生进行机构创新设计实验用。该设备由创意组合机械系统搭接综合实验台、机构构件库、平面机构多级组合测试分析实验台和PC微机等4个部分组成，可完成曲柄滑块机构、曲柄导杆滑块机构、曲柄摇块—齿轮齿条机构、双曲柄摇块机构、凸轮机构、槽轮机构、齿轮—曲柄摇杆机构、齿轮—槽轮机构等15种机构搭接实验和运动测试分析。该设备构件库中配备有齿轮式曲柄、连杆等构件，有回转副、移动副、齿轮副、齿轮齿条机构、凸轮机构、槽轮机构、皮带和皮带轮等基本机构，还配有交流电机、直流电机、旋转编码角位移传感器、无触点摆角传感器、直线位移传感器，以及可进行高速动态参数测试的PCI数模转换采集卡等电气装置。

2.1 实验设备的功能缺陷

在机构创新设计实验中，学生的发散思维一旦激发，就会提出各种各样的机构演化方案，希望进行实验和测试，证明其可行性。这时会发现目前拥有的平面机构创新设计实验设备远远不能满足要求。如设计一个平面二自由度腿关节机构，其中髋关节的转动中心固定不动，代表大腿的构件绕该中心作旋转运动；代表小腿的构件上端与大腿构件下端铰接，作为膝关节，并受电机驱动和控制，转动角度和角速度要能被检测和分析。但现有机构创新实验设备缺乏可作为膝关节驱动器的小型可移动式电机，无法满足其要求，使实验不能开展，创新想法只能停留在思路和理论上。

再如，有学生希望观察四杆机构分别在有1个、2个乃至3个转动副扩大演化的情况下，机构中各构件运动参数的变化情况，但苦于设备的构件库中无各种尺寸和不同形状的运动副可选用，故实验也无法实现。由于该平面机构创新设计实验设备只配备了直线位移传感器、转角传感器和摆角位移传感器三种，在测取四杆机构的连杆延伸端运动轨迹时，若该端部轨迹为平面曲线运动，则无法直接用上述传感器测取其轨迹曲线的坐标值。

归纳起来，现有平面机构创新实验设备用于创新能力培养实验主要存在的功能问题包括：

1）构件库中，不同种类、不同形状和不同尺寸的构件还不够充足，无法满足机构创新实验台实现多样性机构的要求；

2）运动副类型、尺寸规格少，不能实现运动副演变的机构创新实验；

3）驱动电机类型太少，尤其缺少小型直流减速力矩电机，完成多自由度机构实验困难；

4）运动参数测量传感器太少，测定平面曲线运动参数困难。

2.2 实验设备的改进措施

1）自行设计制作部分构件，如长度可调式连杆构件，不同轮廓曲线的盘型凸轮、柱形凸轮和移动凸轮，3～6槽外啮合槽轮和啮合槽轮及其拨盘等，从而使学生在创新实验时可供任意选择的构件增多，可组合创新的机构也比原设备设计的数量增加。

2）根据实际需要，设计制作各种类型、多种尺寸、不同形状的运动副供实验选择。

3）购置多种小功率，电压在12～48 V范围的直流力矩电动机、反应式步进电动机和直流电磁铁（小行程位移执行器），并配购相应的电机驱动器模块。

4）增加多路输出、电压可调的直流大功率稳压电源，给电动机、电磁铁提供驱动电能。

5）为了测量机构上任意点的轨迹曲线，设计加工一种传感器组合连接器，将直线位移传感器的外壳底端与旋转编码角位移传感器或者摆角传感器的外壳连接为一体，成为一个可测量机构上任一点极坐标（转角+径向位移）的组合传感器。

6）改进原平面机构多级组合测试分析系统，新购一套数据采集系统，与电机和电磁铁的驱动装置一起构成新组合测控系统。

7）重新设计和编制实验数据采集处理与分析软件。

3 完成实验方案，培养实践技能

实验设备经过改进，功能有所增加，但如何发挥好设备的作用，并且能不断继续开拓新的功能，就需要好好调动学生的热情，提高其主动参与机构创新设计实验的积极性。为给学生创造良好的实验条件和提供方便，采取一系列措施。

首先，把机构创新设计实验列为开放性实验，学生随时可以通过电话、短信或者电子邮件预约实验时间，尽可能方便学生开展创新实验活动。

其次，在实验实施之前，指导学生运用一些创新思维方式，结合机构的演化方法，做好创新设计实验方案，通过与实验教师讨论，进一步完善和修改方案后，再进入实验准备阶段。

第三，由于学生思维很活跃，设计的机构创意方案较多，尽管增加了不少构件和实验装置，也未必能满足每个学生的实验设计方案。因此，鼓励学生自主地、创新地设计构件和运动副，并安排学生到学校机械实训中心自行完成加工制作。这样把实验准备和机械加工实训结合起来，不但提高了学生实验设计和准备的能力，而且激发了学生积极创新和热爱实践活动的热情，同时不断扩充了机构创新实验设备的功能和可以完成的实验项目。

4 训练思维方式，增强创新能力

要能培养好学生创新能力，除了有良好的设备条件，实验教学方法和内容也不可忽视。为此，修订机构创新设计实验教学大纲，新编实验指导书，增加有关思维方法知识和机构创新演化技能的介绍，明确实验成绩的考核细则和创新程度评价方法，从教学政策上鼓励学生创新实践。

在指导学生完成机构创新实验设计中，改变过去单纯传授机构演变技能和方法的教学模式，而是从培养学生创新思维方式入手，结合各种机构创新方法，训练他们的创新能力。

例如，在进行机构形变换创新实验设计时，并非让学生直接就实践如何通过选择不同的构件作机架来观察其运动的不同，或者改变运动副的形式来分析运动的特性，而是首先向学生介绍发散思维和收敛思维的概念特点及其应用，机构组成的基本元素，构件运动规律及条件等基本知识，然后让学生尽可能地运用发散思维找出各种能改变机构运动方式的因素，如选不同构件作机架，改变运动副尺寸和形式，选择不同构件作为原动件等。并尽可能搭接出所想象的机构进行实验，观察其运动是否确定及运动的特点。否则运用收敛思维方式改变其机构的构成要素，促使运动确定，并满足机构主动件数等于运动自由度的条件，然后测量在机构上自己所关心的点位的运动规律或者受力情况。

5 结束语

实践证明，机构创新设计实验，只要有功能较为完善的实验设备，教学中重视培养学生的创新思维和独立的实践动手能力，就能激发学生创新设计及实验的兴趣，并取得良好的实验效果和提高创新能力培养质量。

参考文献

[1]百度百科.创新能力[EB/OL].http：///view/301641.htm.

[2]曲继方，安子军，曲志刚.机构创新原理[M].北京：科技出版社，2001.

[3]张维真.现代思维方法的理论与实践[M].天津：天津人民出版社，2002.