谈谈机械设计中的智力培养

摘要：机械设计是从事机电产品设计的重要基础知识，本文结合机械设计课程内容的教学，提出观察、比拟与借用、拓展、实例设计、简约、反对本本主义与教条主义和想象等培养学生智力的方法，并且讨论了从专业基础知识的掌握、思维能力的发展、获取新知识的能力的提升、健康的人文心理等方面评价学生的产品创新设计智力。

关键词：机械设计；智力的训练；方法；智力的评价

1 引言

机械设计是机械工程专业的一门技术基础课，其对掌握机械工程的专业知识、提升产品创新设计能力有重要的作用。作为生产力的一个要素，工程技术把科学原理转变为改造世界的动力，是科学发现和产业发展联系的桥梁，是产业革命、经济发展与社会进步的强大杠杆。机械工程作为工业化的支柱产业，为电气化、信息化和智能化产业提供技术装备，因此，探讨机械设计课程教学中，学生能力的培养具有现实意义。在德、智、体、美的素质方面，机械设计教学对培养和提高学生的智力有积极的意义。

中国的机械工程高等教育从20世纪初开始，在建国后特别是近几年来有长足的发展。在创新教育提升到国家战略层面以后，机械产品的创新设计就成为机械设计的核心目标，而创新能力的培养贯穿在每门课程的教学过程中，在教学中与同学一起探索机械产品原理设计、参数设计和结构设计的奥秘，发现机械设计中原理和方法的奥妙。机械原理和机械零件的内容是机械工程的技术基础，有必要讨论该课程教学中的学生智力培养问题。

机械设计的教学包括知识的掌握和能力的提高。本文拟结合多年的机械设计课程教学体会，讨论学生的智力基础、机械设计课程中的智力训练方法和智力培养的评价三个问题，以期与同行交流，起到抛砖引玉的作用。

2 学生的智力基础

经过高级中学阶段的语文、外语、数学、物理和化学等课程的学习，同学们已经掌握了较好的读书、写作、计算、观察和表达能力。经过高等中学和大学前两年的学习，同学们已经掌握了学习的5种不同形式，即简单联想学习、工具性条件作用和尝试错误的学习、模仿性学习、顿悟学习和数理推理的学习。经过大学阶段的高等数学、画法几何、机械制图、工程力学等理论课程的学习，并且经过实践和生产实习等实践环节有力地加深了同学们对机械工程、机械设备自动化的认识。机械设计课程的核心就是使得学生掌握通用机械零部件的设计原理、设计方法和设计准则，能够详细地分析机械的原理设计、参数设计和结构设计。作为工程科学技术人员的培养目标，基本要求是阅读能力、思考能力、表达能力、计算方法、原理解和结构解的掌握和应用。

阅读能力。阅读是学习的基础，中文文献和外文文献的阅读是掌握知识的基本途径，因此对文献的阅读过程，应掌握文献的主题思想、段落大意，这点同学们在小学阶段就已经有了长期的训练。在大学阶段，通过阅读某个主题的科技进展报告，理清这个主题的层次关系，从而全面地把握这个科技研究方向的科技知识。通过对理论模型的阅读，可以掌握理论数学物理建模的思路，以数学的语言来客观地表述物理对象的客观规律。通过对实验文献的阅读，可以从实验原理、实验设计、实验测试过程和实验数据分析等方面，养成实践是检验科学真理标准的习惯，在实验设计方面锻炼自己的原理创新能力。记忆能力是一个人智力发展的必要基础，博闻强记对于知识和技能的学习是十分重要的，尤其对于增长经验知识是十分必要的。在阅读前人知识的过程中，应该养成思考的习惯。

思考能力。批评、反思和批判能力对于创新的智力培养是基本途径之一。科学的最基本态度之一就是疑问，科学的最基本精神之一就是批判。高度的思考能力是人类优于自然界其他物种的智慧体现，在阅读资料的过程中，应培养同学的批判性思考习惯。前人说“有所发明的人，沟通自然和人类的人，好像镜子前面的实物；一味背诵的人，则好像镜子里面的物影。”对于前人提出的理论模型，要分析其前提假设条件和适用范围；对于前人的实验原理和实验设计，应该思考其测试参数和测试范围的局限性。对于一个新的科技方向，应思考其各个研究问题，全面的分析问题和解决问题。对于成熟的工程技术，探索新的工程原理，以简化机械系统的复杂程度、降低成本或使得其操作和维护更加安全和方便。同时，作为机械设计的学习和思考结果，要用技术语言表达出来，以达到信息交流的目的。

表达能力。对于技术思想和技术流程的系统表达，不仅体现在读书报告中，也是毕业设计和学位论文撰写的要求。对于机械设计课程的设计结果，能够用文字、图表和公式，按照计机器的程序完整的表达给他人。表达能力的强弱与语言能力密切相关。大学生已经学习了多年的中文和外语，但是要做到准确地表达自己并不是一蹴而就的，对技术内容的表达要求是正确、明了和简洁的。

技术语言的表达首先要求是正确的，错误的表达会引起读者的误解和茫然，别人不能理解作者要表达什么，并且损害别人对设计者的信任和评价，因此提交给别人的技术资料自己必须修改三遍以上，尽可能的消除表达的误漏之处。在此基础上，技术资料的撰写应有逻辑性和层次性，便于读者的阅读和理解。技术资料的写作还应简明扼要，不要拖泥带水，不要为了篇幅而堆砌图表，而应以典型的理论公式和实验结果来说明关键问题。

计算方法的知识。通过数学的学习，同学们已经掌握了必要的计算能力，结合计算方法的学习，同学们具备了运用计算机解决问题的能力。机械设计的物理对象，依据工程力学的原理建立数学模型，然后求解，也可以进一步讨论参数优化设计和可靠性设计。在技术因素和成本因素的基础上，探寻机械产品的价值设计和成本优化设计。对于机械系统，用系统优化的思想进行功能分解和优化设计。近来，分形几何、神经网络和智能方法等在机械设计中得到越来越多的应用，例如零件表面质量的分形分析、润滑和磨损过程的神经网络模型、智能的机械结构设计方法等。

原理解的知识。在机械设计中，除了中学阶段学习的滑轮、杠杆和斜面等原理外，还学习凸轮传动、连杆传动、齿轮传动、螺旋传动、带传动、链传动和间歇传动等。为了实现机械能的传递，设计人员可以采用不同的传动原理方案，即原理解。轴的支承，可以用滑动轴承、滚动轴承、电磁轴承、静电轴承等不同的原理解。原理解的知识及其灵活运用是设计人员必须掌握的技术能力。

在工程中的机械产品设计中，原理解的提出与创新是关键问题之一。例如，测量液体的粘度技术，有落重式、毛细管剪切式、机械冲压式、超声波式等等。原理解的创新会导致产品新的概念设计，例如电风扇的设计，可以是叶片式、喷管式或吸管式等，还可以是机械式或电磁式等。

结构解的知识。机械设计中介绍轮子的结构、连接的结构、轴承和轴的结构等。每种结构都有匹配性，例如内螺纹与外螺纹、大齿轮和小齿轮、轴与孔等的匹配。结构设计的结果是以机械图纸的形式予以表达，因此机械制图对正确地表达机械结构具有基础性地作用。另一方面，机械零件的设计过程中，必须考虑零件的材料和热处理、机械零件的加工工艺性等。机械结构设计的越简单，其制造加工成本越低，机械结构设计是机械工程的特色之一。

在机械设计的教学中，不仅要注重以上机械设计的基础能力培养，而且要提升设计者的分析问题和解决问题的能力，具体的表现为观察、拓展、想象和创造心理学等能力训练。

3 智力的训练方法

智力训练的目标是掌握猎取新知识的能力。而智力的培养过程是逐渐展开的，具有层次性和迭代性，呈现螺旋式上升的基本范式。古人说“不积跬步，无以至千里；不积小流，无以成江海。”产品设计能力的提升是日积月累的结果，不能指望一日过后，学生的产品设计能力就能刮目相看，而应是水滴石穿的过程，机械设计教学的教师同样需要不断地提高机械产品设计的能力。培养同学智力的方法有观察、比拟、实例分析、简约和想象等，在机械产品设计能力的训练过程中，应一切从产品设计出发，反对教条主义。

观察。对自然界中事物的观察和思考是发展智力的基本方法，“业精于勤荒于嬉，行成于思毁于随。”不仅在机械原理和机械零件的实验课中要仔细观测实验现象和分析实验结果，在日常的生活中也要随时观察，观察遇到的各种机械的工作原理和机械结构，思考实现同样功能的新原理和新技术。结合科学知识的最新发展，思索能否用新的科学原理来实现已有机械的功能。主动的观察和思考是积极的人生态度的反映，也能巩固自己已经学习过的知识，养成灵活应用知识的习惯。

比拟和借用。在机械设计中有时需要借用其他学科的原理知识来进行创新，例如借用水变成冰时体积膨胀的原理来破碎物体，利用做冰冻豆腐的原理来设计多孔材料的制造设备。机械设计中的仿生设计大多是借用自然界中的物理和化学原理，来设计新型的机械装置。

拓展。对已学知识的拓展是机械设计方法发展的主要手段之一，例如从一维弹流润滑拓展到二维、三维弹流润滑的研究，从切向微动磨损拓展到切向和法向共同作用的微动磨损研究。对机械设计知识的拓展例子在机械设计教材中有很多，例如从滑动螺旋拓展到滚动螺旋、从滑动蜗杆传动拓展到滚动蜗杆传动。

实例设计。实例设计是培养同学掌握机械设计知识、设计方法、设计流程和撰写技术报告的有效途径。例如设计减速器，可以训练齿轮传动或蜗杆传动、螺纹连接、键连接、销连接、轴、滚动轴承或滑动轴承和联轴器等的设计准则和设计方法。机械设计课程教学中的大作业也起到同样的功效，例如千斤顶的设计和轴系结构设计等。

简约的设计。机械设计的不同阶段，原理解、结构解和参数优化等，设计者都要考虑多种方案，然后从这些方案中选择技术性能好、可靠性高的设计方案用于产品设计。“博观而约取，厚积而薄发。”设计者积累的知识和技术方案越多，对设计的最佳化无疑是有促进作用的。汉代的雕塑和宋代的工笔画这两种艺术思路对我们的机械设计是有启发意义的，简约而不简单是设计者的设计艺术的体现。

思维上要反对本本主义和教条主义。古人说“尽信书，则不如无书。”无疑书籍中的知识绝大多数是正确的，但是在机械产品设计中仅仅靠书本知识是不够的，同学们不应有书中没有说就不能做的思想禁锢，因此需要提出反对教条主义。机械设计中的零部件设计准则和设计方法都是在一定的失效形式下提出的，不能认为机械零件的失效形式是不变的。例如，设计滚动轴承主要考虑疲劳寿命和振动噪声，但在高速重载条件下，滚动轴承首先发生的是胶合失效，这时就需要从抗胶合失效来制订设计准则，推出设计方法，根据胶合失效的模型来设计滚动轴承。

想象。设计思维的翅膀就是想象，机械产品设计者要有很丰富的想象力。作者曾经从功能、原理、结构、工具、方法和原理等角度讨论了想象力在产品设计中的作用。优秀的机械产品设计者应该有丰富的想象力，而且要敢于想象，不甘于做文献的奴隶。

讨论课是一种培养学生思考的好形式，引导学生对问题依次展开，由主到次，由近及远，逐一考量问题的各个方面，通过共同讨论、思考和总结，鞭辟入里地剖析问题，形成小组的讨论总结报告，然后提交全班讨论。

在智力的教育过程中对学生应“不愤不启，不悱不发。”通过学习机械设计课程，使学生养成“学而不思则罔，思而不学则殆”的学习习惯，学习知识与批判性的思考相结合，进一步的理解所学的知识，并且通过思考过程，获得一种依据所学知识去猎取新知识的能力。

4 智力培养的评价

原理和技术的创新是建设经济强国之本，而创新在于人才教育，不仅是大学阶段的教育，还应伴随科技工作者终生。以掌握的知识为基础，获取新的知识，探索未知的问题，拓展自己的能力，这才是一位创新人才的必备素质。另一方面，创新者应有良好的心理素质和品德修养，不以势压人，不嫉贤妒能，不固步自封，不妄自菲薄。以谦诚的态度和一颗感恩的心，去探寻新的原理和新的技术，以全面求索的态度面对工程实践中新问题的挑战。

专业基础知识的掌握。毫无疑问专业基础知识的掌握是机械设计教学的基本目标之一，学生只有掌握了专业基础知识，才能在以后去获取新的知识，创造出新的技术。机械设计的基础知识是设计者知识大厦的根基，因此必须很好地理解机械设计专业的基础内容，为今后的提高提供必要的准备。

思维能力的发展。机械设计教学的第二个基本要求就是掌握机械产品设计的几种思维能力，对零件失效形式的归纳思维，例如链传动的许用功率线图；演绎思维，例如流体动压滑动轴承的油膜压力生成原理；组合思维，例如防松螺纹连接的设计；变异的思维，例如不完全齿轮传动；综合的思维，例如轮系的设计；拓展的思维，例如摩擦轮轮系的设计。

在学习机械设计过程中，思维的能力得到拓展。系统优化设计思维，例如齿轮减速器的优化设计；新材料的应用，例如纳米润滑添加剂；加工工艺性的思维，例如螺栓的搓制加工工艺；安装和维护的思维，例如剖分式滑动轴承设计；安全性设计理念，例如带传动的摩擦静电消除设计；成本最低的价值设计思路，例如蜗轮齿圈的设计等。

获取新知识的能力提升。机械设计课程中有80％以上的机械工程专业词汇，熟悉专业术语的内涵和外延有利于设计者分类产品设计，有益于产品的创新设计。在大学本科毕业后，学生可以利用所学的机械设计知识，阅读科技文献，理解和拓展新的知识，为自己设计产品的能力添砖加瓦，不断提升自己的创新设计能力。

健康人文心理的完善。一名优秀的设计者应具备良好的心理素质。一方面，在遇到困难时不退缩，而是开拓性前进，持之以恒的探求新的问题。另一方面，在成绩面前不会固步自封，停滞不前，而是不断地学习和提高，使得自己的产品设计能力上升到新的高度。不然，会形成对问题的偏见，阻碍自己和他人的正确意见，成为技术进步的阻力。

5 小结

知识和创新能力是机械设计教学的主要内容。本文结合机械设计课程讨论了教学过程中对学生的智力培养，讨论了观察、比拟和借用、拓展、实例设计、简约、反对本本主义和教条主义、想象等课程教学中穿插的授课方法。提出从专业基础知识的掌握、思维能力的发展、获取新知识的能力的提升、健康的人文心理方面评价同学的产品设计能力。“长风破浪会有时，直挂云帆济沧海。”通过在机械设计课程教学中的智力培养，一定能提高同学的产品创新设计能力。本文所说之见，一管窥豹，所得体会是机械设计教学的沧海一粟，以期能引起更多的教师来讨论机械设计课程教学。

参考文献：

[1]曲士培.中国大学教育发展史[M].北京：北京大学出版社，2006.

[2]瓦·阿·苏霍姆林斯基.给教师的建议（上册、下册）[M].杜殿坤，译.北京：教育科学出版社，1980.

[3]高桥浩.眼皮底下的发明——大众发明技法趣谈[M].史金玉，译.南京：江苏人民出版社，1988.

[4]中野蕂征.创造发明技巧[M].陶祥元，译.上海：上海科学技术文献出版社，1988.

[5]肯·贝恩.如何成为卓越的大学教师[M].明廷雄，彭汉良，译.北京：北京大学出版社，2007.