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【摘 要】立足于机械类专业课程体系，构建“专业基础能力——专业综合应用能力——创新能力”三阶递进的创新能力培养体系，在其中结合变形设计理念，构建基于夹具设计的创新能力训练框架，课内学习和课外培训相结合，达到提升机械类高职学生专业综合应用能力、创新能力的目的。
【关键词】高职学生 创新能力 变形设计 夹具设计
【中图分类号】G 【文献标识码】A
【文章编号】0450-9889（2015）10C-0060-03
一、高职学生创新能力培养是社会科技进步的需要
国家“十二五”科学和技术发展规划明确提出要“大力培养造就创新型科技人才，改革完善创新型人才的教育培养模式”。教育部从2004年起每隔两年举办一届全国大学生机械创新设计大赛，至今已连续举办了六届大学生机械创新设计大赛，旨在培养产业技术进步的生力军——大学生的创新设计能力、综合设计能力和工程实践能力。此外，每年教育部及各省市、各级教指委举办的各种职业技能大赛、机器人大赛，都在引领职业教育培养学生专业创新能力、专业综合应用拓展能力。
在高职教育机械类专业教学中，更应注重开发学生创造性思维，培养创新能力，使学生掌握扎实专业基础知识的同时，能做到理论联系实际，活学活用，成为适应企业生产、建设、管理、服务等一线需要的高技能人才。
二、高职学生创新能力的培养需要探索积极有效的途径
大学生创新能力、综合技术能力的培养，一方面来自于课堂学习，一方面来自于课外培训（包括竞赛培训等）。根据我们目前的课堂教学模式，对培养大学生创新能力、综合技术应用能力来说还是非常有限，尤其是对高职学生而言。目前的高职学生普遍起点较低，基础较差，自主学习能力有限，在这样的现状之下，想要提升高职学生的创新设计能力和专业技术综合应用能力，特别是想要培养出一批比较出类拔萃的具有优秀综合职业技能素质的高职学生，需要依赖于切实有效的课外能力提升培训途径。基于这一出发点，借助于由经验丰富、专业能力全面的机械专业教师团队及企业专家参与的教师工作室，择优选拔基础较好、有刻苦钻研精神、不怕吃苦、积极努力的学生，开展创新思维创新能力培训，并结合各级各类技能大赛，探索出一套与课堂教学相辅相承且行之有效的培训实施方案，并经过普适性研究，形成可以在教学中开展的高职学生创新能力培养实施体系，达到全面提升机械类高职学生专业综合应用能力、创新能力的目的。
三、基于变形设计的高职学生创新能力培养体系构建
由于当前高职学生普遍起点低，基础较差，近年来高职机械类专业一般都很少开设设计课程，各种机械设计在课程中少有涉及或涉及较浅。包括各种机械加工现场中使用率很高的夹具设计也大多是仅进行原理的教学，基本不要求学生深入开展设计，而创新能力的培养却要求学生具有良好的理论知识综合运用能力，机械设计却恰好是最能体现专业知识综合应用能力的。基于这一考虑，我们选择了夹具设计作为创新能力培养训练的载体，在工作室学生培训中经过反复运用，探索构建了三阶递进的创新能力培养体系，即构建“专业基础能力——专业综合应用能力——创新能力”培养实施体系。通过选拔基础较好、有刻苦钻研精神的高职学生参加培训，经过培训实践找出培养体系的不足，逐步完善培养体系，并经过普适性研究、分解、重构，形成可推广的在机械类专业教学中应用的高职学生创新能力培养实施方案。
（一）具备扎实的专业理论基础知识和专业基础技能是创新能力培养的根基
机械设计具有依赖于经过长期科学实践应用的典型机构并在此基础上拓展应用、开发设计的特点。绝大多数的机械设计都不是凭空想象而来的，调研数据表明，实际的设计工作中大约70%属于适应性设计和变型设计。就好像各种运动机器必须有动力源、传动机构和执行机构三大要素，无论这其中的各部分机构如何变化，动力源如何更新换代，这三者都以某种形式存在着。因此，机械创新设计必须要具备良好的机械设计基础专业理论知识。同时，任何一项机械设计都要求设计者能够熟练运用机械制图国家标准的规范来表达设计方案。而现代的机械设计大多都已抛开传统的运用铅笔、尺子和橡皮手工绘图、晒蓝图的制图模式，机械制图通常采用CAD计算机绘图软件完成，这就要求设计者除了能熟练掌握机械设计基础专业理论，还要具有良好的识图、根据国标制图设计以及计算机绘图设计能力。现代的机械设计为了能进一步验证设计结果的正确性、可行性和科学性，常常还要运用CAD软件进行三维造型、模拟装配和自动编程、模拟加工等，要达到这一要求，则需要设计者具备三维软件如Pro/E、UG NX等的应用能力。基于以上考虑，我们建立了涵盖机械制图、机械CAD（二维及三维）、机械设计基础在内的专业基础知识巩固提高训练题库，通过分阶段有计划地培训来巩固提高机械专业学生的专业基础能力，使其具备良好的创新基础。
（二）良好的机械专业知识综合运用能力是实现创新的必要途径
机械设计创新要求学生具有良好的专业素养及专业知识综合运用能力。为了提升学生的专业知识综合知识运用能力，借助于具有典型代表意义的机械结构进行专业基础知识整合运用系统训练是有效的方法。根据多年的教学经验，挑选具有代表性的用于培训的典型机构，最好是学生已经有所了解、同时机构又能涵盖多个典型机械结构和零件的组合。而减速器从其结构来看，它包含了带传动和齿轮传动典型传动机构，其中还有平键连接、销连接、螺纹连接等；从零件类型来看，减速器壳体属于箱体叉架类零件，传动机构中的齿轮、带轮属于轮盘类零件，传动轴属于轴类零件，基本涵盖了机械零件中的三大类典型零件，并且学生在机械制图和机械设计基础课程学习中都有一定程度的涉及，经过多方斟酌，最终确定了选择二级齿轮减速器作为专业知识综合应用能力培训载体，并以此为依据建立项目综合培训实施方案，编写专业知识综合应用培训指导书，通过培训帮助学生体验将专业基础知识系统应用于解决实际问题的具体过程、步骤。 这个过程的培训难度和复杂程度要大于专业基础培训阶段，为了确保学生能够完成具有一定复杂程度的零件图绘制并符合机械制图国家标准的规范，在进行减速器项目培训前分别安排较为复杂的轴类、轮盘类、箱体叉架类零件图识图及绘制训练。减速器项目则从零件拆装测绘入手，完成测绘和草图绘制后，选择其中的几个典型零件，让学生自行完成工程零件图并进行三维造型、模拟装配、自动编程及模拟加工。这个过程使学生完整体验了实际生产现场工作流程的各环节，综合运用了机械制图、机械设计基础、机械CAD、机械CAD/CAM技术应用等专业课程知识，学生对现代设计技术中的计算机技术应用得以熟练掌握，不仅对将来走上机械设计工作岗位大有裨益，也为学生创新能力的培养奠定了坚实的基础。
（三）在变形设计理念下依托夹具设计构建创新能力训练框架
机械设计创新能力训练框架的构建目的在于，借助典型机构设计以达到综合运用机械制图、机械设计基础、机械CAD、机械制造技术、液压与气动、电气控制等专业知识，提升机械类高职学生机械设计能力及训练创新思维、创新设计能力的目的。
现代的机械设计主要以科学的设计理念及先进的设计工具为基础。学生通过前期两个阶段的训练已经具备熟练运用计算机技术——机械CAD以及三维CAD/CAM设计工具的能力。机械创新设计思维的基本原则是最短路径原则及相似性联想原则。以此基本原则为出发点，我们选择采用现代机械设计创新模式中的变形设计理念搭建创新设计训练框架。变型设计是指在不破坏原设计的基本原理和基本结构特征基础上，提取已存在的设计或设计计划，通过调整局部结构或修改参数的方法产生一个和原设计相似的新设计。这种设计方法是在熟知已有设计的基础上的扩展和延伸，不要求设计者必须具备深厚扎实的理论体系和完整严密的设计思路，更符合当前机械类高职学生的能力特点。该设计理念所采用的拓展及发散性思维也更有利于激发高职学生的学习兴趣。
根据近年来所进行的行业企业调研，机械制造行业无论大中小企业，生产一线的技术人员通常都要进行工艺及工装设计。而在近年来高职机械类专业课程学习中，夹具设计部分的学习大多止于结构原理及设计方法，因此，我们确定了以企业广泛使用和需求的工装夹具设计搭建创新思维及创新设计能力训练框架。该框架的构建基于如下四个步骤：
步骤一：探究钻床、铣床夹具的基本结构，学生首先搜集相关资讯并进行分类或归纳出典型的类型结构，并在正确识图的基础上分析结构组成及夹具组件的设计及选择要点。由于夹具结构有一定的复杂性，指导教师参与指导分析，或结合学生所收集资料，老师补充完善，展开分析指导。
步骤二：分析以上夹具可装夹的工件的类型，提出若零件尺寸形状发生变化，夹具如何改进？这一部分内容需要学生积累若干具有代表性的不同种类的夹具结构及识图经验，学生在课程学习的基础上经过步骤一的训练可达到这一目的。
以加工壳体侧棱边的铣床夹具 为例，如图1所示，举例说明此类问题提出的方式。
1-夹具体 2-支承板 3-压板 4-螺母 5-对刀块 6-大圆柱销 7-球头钉 8-铰接板 9-螺杆 10-棱形销 11-定向键
图1 加工壳体的铣床夹具
该铣床夹具用于装夹如图1中双点划线所表示的圆柱形壳体零件，在学生已掌握夹具的结构原理的基础上，提出如下问题：
壳体零件内外直径变化，夹具应如何变形改进？
讨论分析结果：壳体零件外径变化，压板与壳体零件配合圆弧尺寸需发生相应变化；壳体零件内径变化，夹具不需要改变。
若该壳体零件有一系列大小尺寸规格，是否每个尺寸都需要设计专用夹具？有何可行方案？
讨论分析结果：方案一，压板可制造成一系列尺寸的孔径。方案二，将夹具体、支承板及压板上螺杆孔制造成长孔，螺杆位置可根据零件尺寸的变化，在长孔允许的范围内变化调节，即夹具设计为可调夹具；若尺寸系列跨度较大，则将尺寸分段为若干组，相应地将夹具设计成若干组夹具，每组对应一定尺寸范围的零件装夹，即构成成组夹具。
步骤三：该夹具的夹紧机构有可能作何改进？
学生自行探究并作出结论，选择以上夹具的一至两种提出自己的改进方案，小组讨论可行性，指导教师作出总结和评价。
步骤四：学生根据已有零件的夹具装配图，进行变形设计，运用CAD、CAM完成整套夹具设计。
经过完整的夹具变形设计，学生体验了运用机械制图、机械CAD、CAM、机械设计基础、机械制造技术等专业知识进行夹具设计的全过程，该训练进一步巩固提升所培训学生的绘图设计能力，强化了对典型机械结构、机构的认识和理解，并在理解现有机械结构的基础上拓展训练灵活运用能力，使学生能够熟练使用机械CAD进行机械设计，理解掌握液压与气动控制、电气控制在实际机构（夹具锁紧机构）中的运用。在此过程中，学生获得的不仅仅是专业知识的综合应用能力的提高，更重要的是拓展及发散性思维、创新思维得到了良好的训练。
总之，该体系的构建既考虑了专业知识体系的合理支撑，又充分考虑了当前机械类高职学生的能力特点。采用现代机械设计变形设计理念构建创新能力训练框架，针对性明确，对于传统的设计课程学习来说，在方法和模式上都具有突破性，而选择夹具设计作为创新能力训练载体也符合当前机械行业企业岗位需求。因此，该培养体系作为高职机械大类专业人才培养的创新模式具有一定的推广价值。
【参考文献】
[1]吴拓.机械制造工艺与机床夹具[M].北京：机械工业出版社，2009
[2]薛源顺.机床夹具设计[M].北京：机械工业出版社，1997
[3]米文瑜.设计性实验教学的研究与实践[J].教育与职业，2009（23）
[4]杨彩平.浅谈高职教育中个性化教育与创新能力的培养[J].漯河职业技术学院学报，2011（6）
[5]姜大源.当代德国职业教育主流教学思想研究[M].北京：清华大学出版社，2008
【基金项目】2013年度广西高等教育教学改革工程项目（桂教高教[2013]28号）
【作者简介】韦晓航（1967- ），女，柳州铁道职业技术学院副教授，研究方向：机械设计与制造，数控技术。
（责编 丁 梦）
【关键词】高职学生 创新能力 变形设计 夹具设计
【中图分类号】G 【文献标识码】A
【文章编号】0450-9889（2015）10C-0060-03
一、高职学生创新能力培养是社会科技进步的需要
国家“十二五”科学和技术发展规划明确提出要“大力培养造就创新型科技人才，改革完善创新型人才的教育培养模式”。教育部从2004年起每隔两年举办一届全国大学生机械创新设计大赛，至今已连续举办了六届大学生机械创新设计大赛，旨在培养产业技术进步的生力军——大学生的创新设计能力、综合设计能力和工程实践能力。此外，每年教育部及各省市、各级教指委举办的各种职业技能大赛、机器人大赛，都在引领职业教育培养学生专业创新能力、专业综合应用拓展能力。
在高职教育机械类专业教学中，更应注重开发学生创造性思维，培养创新能力，使学生掌握扎实专业基础知识的同时，能做到理论联系实际，活学活用，成为适应企业生产、建设、管理、服务等一线需要的高技能人才。
二、高职学生创新能力的培养需要探索积极有效的途径
大学生创新能力、综合技术能力的培养，一方面来自于课堂学习，一方面来自于课外培训（包括竞赛培训等）。根据我们目前的课堂教学模式，对培养大学生创新能力、综合技术应用能力来说还是非常有限，尤其是对高职学生而言。目前的高职学生普遍起点较低，基础较差，自主学习能力有限，在这样的现状之下，想要提升高职学生的创新设计能力和专业技术综合应用能力，特别是想要培养出一批比较出类拔萃的具有优秀综合职业技能素质的高职学生，需要依赖于切实有效的课外能力提升培训途径。基于这一出发点，借助于由经验丰富、专业能力全面的机械专业教师团队及企业专家参与的教师工作室，择优选拔基础较好、有刻苦钻研精神、不怕吃苦、积极努力的学生，开展创新思维创新能力培训，并结合各级各类技能大赛，探索出一套与课堂教学相辅相承且行之有效的培训实施方案，并经过普适性研究，形成可以在教学中开展的高职学生创新能力培养实施体系，达到全面提升机械类高职学生专业综合应用能力、创新能力的目的。
三、基于变形设计的高职学生创新能力培养体系构建
由于当前高职学生普遍起点低，基础较差，近年来高职机械类专业一般都很少开设设计课程，各种机械设计在课程中少有涉及或涉及较浅。包括各种机械加工现场中使用率很高的夹具设计也大多是仅进行原理的教学，基本不要求学生深入开展设计，而创新能力的培养却要求学生具有良好的理论知识综合运用能力，机械设计却恰好是最能体现专业知识综合应用能力的。基于这一考虑，我们选择了夹具设计作为创新能力培养训练的载体，在工作室学生培训中经过反复运用，探索构建了三阶递进的创新能力培养体系，即构建“专业基础能力——专业综合应用能力——创新能力”培养实施体系。通过选拔基础较好、有刻苦钻研精神的高职学生参加培训，经过培训实践找出培养体系的不足，逐步完善培养体系，并经过普适性研究、分解、重构，形成可推广的在机械类专业教学中应用的高职学生创新能力培养实施方案。
（一）具备扎实的专业理论基础知识和专业基础技能是创新能力培养的根基
机械设计具有依赖于经过长期科学实践应用的典型机构并在此基础上拓展应用、开发设计的特点。绝大多数的机械设计都不是凭空想象而来的，调研数据表明，实际的设计工作中大约70%属于适应性设计和变型设计。就好像各种运动机器必须有动力源、传动机构和执行机构三大要素，无论这其中的各部分机构如何变化，动力源如何更新换代，这三者都以某种形式存在着。因此，机械创新设计必须要具备良好的机械设计基础专业理论知识。同时，任何一项机械设计都要求设计者能够熟练运用机械制图国家标准的规范来表达设计方案。而现代的机械设计大多都已抛开传统的运用铅笔、尺子和橡皮手工绘图、晒蓝图的制图模式，机械制图通常采用CAD计算机绘图软件完成，这就要求设计者除了能熟练掌握机械设计基础专业理论，还要具有良好的识图、根据国标制图设计以及计算机绘图设计能力。现代的机械设计为了能进一步验证设计结果的正确性、可行性和科学性，常常还要运用CAD软件进行三维造型、模拟装配和自动编程、模拟加工等，要达到这一要求，则需要设计者具备三维软件如Pro/E、UG NX等的应用能力。基于以上考虑，我们建立了涵盖机械制图、机械CAD（二维及三维）、机械设计基础在内的专业基础知识巩固提高训练题库，通过分阶段有计划地培训来巩固提高机械专业学生的专业基础能力，使其具备良好的创新基础。
（二）良好的机械专业知识综合运用能力是实现创新的必要途径
机械设计创新要求学生具有良好的专业素养及专业知识综合运用能力。为了提升学生的专业知识综合知识运用能力，借助于具有典型代表意义的机械结构进行专业基础知识整合运用系统训练是有效的方法。根据多年的教学经验，挑选具有代表性的用于培训的典型机构，最好是学生已经有所了解、同时机构又能涵盖多个典型机械结构和零件的组合。而减速器从其结构来看，它包含了带传动和齿轮传动典型传动机构，其中还有平键连接、销连接、螺纹连接等；从零件类型来看，减速器壳体属于箱体叉架类零件，传动机构中的齿轮、带轮属于轮盘类零件，传动轴属于轴类零件，基本涵盖了机械零件中的三大类典型零件，并且学生在机械制图和机械设计基础课程学习中都有一定程度的涉及，经过多方斟酌，最终确定了选择二级齿轮减速器作为专业知识综合应用能力培训载体，并以此为依据建立项目综合培训实施方案，编写专业知识综合应用培训指导书，通过培训帮助学生体验将专业基础知识系统应用于解决实际问题的具体过程、步骤。 这个过程的培训难度和复杂程度要大于专业基础培训阶段，为了确保学生能够完成具有一定复杂程度的零件图绘制并符合机械制图国家标准的规范，在进行减速器项目培训前分别安排较为复杂的轴类、轮盘类、箱体叉架类零件图识图及绘制训练。减速器项目则从零件拆装测绘入手，完成测绘和草图绘制后，选择其中的几个典型零件，让学生自行完成工程零件图并进行三维造型、模拟装配、自动编程及模拟加工。这个过程使学生完整体验了实际生产现场工作流程的各环节，综合运用了机械制图、机械设计基础、机械CAD、机械CAD/CAM技术应用等专业课程知识，学生对现代设计技术中的计算机技术应用得以熟练掌握，不仅对将来走上机械设计工作岗位大有裨益，也为学生创新能力的培养奠定了坚实的基础。
（三）在变形设计理念下依托夹具设计构建创新能力训练框架
机械设计创新能力训练框架的构建目的在于，借助典型机构设计以达到综合运用机械制图、机械设计基础、机械CAD、机械制造技术、液压与气动、电气控制等专业知识，提升机械类高职学生机械设计能力及训练创新思维、创新设计能力的目的。
现代的机械设计主要以科学的设计理念及先进的设计工具为基础。学生通过前期两个阶段的训练已经具备熟练运用计算机技术——机械CAD以及三维CAD/CAM设计工具的能力。机械创新设计思维的基本原则是最短路径原则及相似性联想原则。以此基本原则为出发点，我们选择采用现代机械设计创新模式中的变形设计理念搭建创新设计训练框架。变型设计是指在不破坏原设计的基本原理和基本结构特征基础上，提取已存在的设计或设计计划，通过调整局部结构或修改参数的方法产生一个和原设计相似的新设计。这种设计方法是在熟知已有设计的基础上的扩展和延伸，不要求设计者必须具备深厚扎实的理论体系和完整严密的设计思路，更符合当前机械类高职学生的能力特点。该设计理念所采用的拓展及发散性思维也更有利于激发高职学生的学习兴趣。
根据近年来所进行的行业企业调研，机械制造行业无论大中小企业，生产一线的技术人员通常都要进行工艺及工装设计。而在近年来高职机械类专业课程学习中，夹具设计部分的学习大多止于结构原理及设计方法，因此，我们确定了以企业广泛使用和需求的工装夹具设计搭建创新思维及创新设计能力训练框架。该框架的构建基于如下四个步骤：
步骤一：探究钻床、铣床夹具的基本结构，学生首先搜集相关资讯并进行分类或归纳出典型的类型结构，并在正确识图的基础上分析结构组成及夹具组件的设计及选择要点。由于夹具结构有一定的复杂性，指导教师参与指导分析，或结合学生所收集资料，老师补充完善，展开分析指导。
步骤二：分析以上夹具可装夹的工件的类型，提出若零件尺寸形状发生变化，夹具如何改进？这一部分内容需要学生积累若干具有代表性的不同种类的夹具结构及识图经验，学生在课程学习的基础上经过步骤一的训练可达到这一目的。
以加工壳体侧棱边的铣床夹具 为例，如图1所示，举例说明此类问题提出的方式。
1-夹具体 2-支承板 3-压板 4-螺母 5-对刀块 6-大圆柱销 7-球头钉 8-铰接板 9-螺杆 10-棱形销 11-定向键
图1 加工壳体的铣床夹具
该铣床夹具用于装夹如图1中双点划线所表示的圆柱形壳体零件，在学生已掌握夹具的结构原理的基础上，提出如下问题：
壳体零件内外直径变化，夹具应如何变形改进？
讨论分析结果：壳体零件外径变化，压板与壳体零件配合圆弧尺寸需发生相应变化；壳体零件内径变化，夹具不需要改变。
若该壳体零件有一系列大小尺寸规格，是否每个尺寸都需要设计专用夹具？有何可行方案？
讨论分析结果：方案一，压板可制造成一系列尺寸的孔径。方案二，将夹具体、支承板及压板上螺杆孔制造成长孔，螺杆位置可根据零件尺寸的变化，在长孔允许的范围内变化调节，即夹具设计为可调夹具；若尺寸系列跨度较大，则将尺寸分段为若干组，相应地将夹具设计成若干组夹具，每组对应一定尺寸范围的零件装夹，即构成成组夹具。
步骤三：该夹具的夹紧机构有可能作何改进？
学生自行探究并作出结论，选择以上夹具的一至两种提出自己的改进方案，小组讨论可行性，指导教师作出总结和评价。
步骤四：学生根据已有零件的夹具装配图，进行变形设计，运用CAD、CAM完成整套夹具设计。
经过完整的夹具变形设计，学生体验了运用机械制图、机械CAD、CAM、机械设计基础、机械制造技术等专业知识进行夹具设计的全过程，该训练进一步巩固提升所培训学生的绘图设计能力，强化了对典型机械结构、机构的认识和理解，并在理解现有机械结构的基础上拓展训练灵活运用能力，使学生能够熟练使用机械CAD进行机械设计，理解掌握液压与气动控制、电气控制在实际机构（夹具锁紧机构）中的运用。在此过程中，学生获得的不仅仅是专业知识的综合应用能力的提高，更重要的是拓展及发散性思维、创新思维得到了良好的训练。
总之，该体系的构建既考虑了专业知识体系的合理支撑，又充分考虑了当前机械类高职学生的能力特点。采用现代机械设计变形设计理念构建创新能力训练框架，针对性明确，对于传统的设计课程学习来说，在方法和模式上都具有突破性，而选择夹具设计作为创新能力训练载体也符合当前机械行业企业岗位需求。因此，该培养体系作为高职机械大类专业人才培养的创新模式具有一定的推广价值。
【参考文献】
[1]吴拓.机械制造工艺与机床夹具[M].北京：机械工业出版社，2009
[2]薛源顺.机床夹具设计[M].北京：机械工业出版社，1997
[3]米文瑜.设计性实验教学的研究与实践[J].教育与职业，2009（23）
[4]杨彩平.浅谈高职教育中个性化教育与创新能力的培养[J].漯河职业技术学院学报，2011（6）
[5]姜大源.当代德国职业教育主流教学思想研究[M].北京：清华大学出版社，2008
【基金项目】2013年度广西高等教育教学改革工程项目（桂教高教[2013]28号）
【作者简介】韦晓航（1967- ），女，柳州铁道职业技术学院副教授，研究方向：机械设计与制造，数控技术。
（责编 丁 梦）