基于創(chuàng)意機(jī)械裝置綜合性實(shí)踐課程建設(shè)

郭 巍， 楊建新， 陳遠(yuǎn)洋， 孫聞溪

（清華大學(xué) 基礎(chǔ)工業(yè)訓(xùn)練中心， 北京 100084）

0 引言

通過本科教改項目，建設(shè)“勞動教育+多學(xué)科交叉”的綜合性實(shí)踐課程， 滿足國家和學(xué)校對綜合性創(chuàng)新人才的培養(yǎng)需求。以創(chuàng)意機(jī)械裝置作為項目載體，改變了以往金工實(shí)習(xí)、機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計等課程之間缺乏交集的傳統(tǒng)教學(xué)模式，將這些課程的相關(guān)知識有機(jī)融合在一起，引導(dǎo)學(xué)生自主解決設(shè)計、制作過程中出現(xiàn)的問題，增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新實(shí)踐能力。

1 課程建設(shè)內(nèi)容

在教學(xué)對象上，以創(chuàng)意機(jī)械裝置作為項目載體，鼓勵不同專業(yè)背景的學(xué)生探索藝術(shù)木偶與運(yùn)動機(jī)構(gòu)融合的可能性，最大限度地培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造性思維。 在教學(xué)實(shí)施過程中，既提倡學(xué)生使用傳統(tǒng)材料和制造技術(shù)，也鼓勵學(xué)生嘗試新型材料及數(shù)字化制造方法， 鼓勵學(xué)生進(jìn)行廣泛的創(chuàng)新實(shí)踐以及跨專業(yè)、跨媒介的協(xié)作。

基于CDIO 的實(shí)踐教學(xué)模式，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，避免冗長枯燥的理論介紹。 在構(gòu)思階段注重激發(fā)學(xué)生的藝術(shù)靈感和生活樂趣，在設(shè)計階段將上層動作表演與下層機(jī)構(gòu)傳動一體化設(shè)計的概念傳遞給學(xué)生， 在制作階段引導(dǎo)學(xué)生注意零件的結(jié)構(gòu)工藝性設(shè)計以及如何綜合利用現(xiàn)有的各種加工技術(shù)， 在作品運(yùn)行展示階段綜合采用視頻、海報、網(wǎng)絡(luò)等多種宣傳推廣方式。

在課程實(shí)施過程中， 根據(jù)不同學(xué)生的知識和技能水平調(diào)整作品成果難度要求，做到因材施教。 對于動手能力強(qiáng)的學(xué)生，設(shè)定難度系數(shù)較高的立體木偶作為表演部件，對于沒有實(shí)踐基礎(chǔ)的學(xué)生， 采用容易上手的平面木偶引導(dǎo)入門。 通過強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新性地使用木材制作功能性展示主體，搭配多樣化機(jī)械零件構(gòu)建運(yùn)功機(jī)構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)“木工+機(jī)械+藝術(shù)”的深度融合。

探索將勞動教育與創(chuàng)新成果相結(jié)合的綜合性實(shí)踐教學(xué)評價機(jī)制， 以學(xué)生在課程中獲得的各項能力為基本出發(fā)點(diǎn)，從不同方面入手評價學(xué)生的學(xué)習(xí)收獲，包括：專業(yè)知識與技能水平的提升、主動發(fā)現(xiàn)與解決問題的能力、用切實(shí)可行的手段將自己的創(chuàng)造性想法付諸實(shí)現(xiàn)的能力。

2 創(chuàng)意機(jī)械裝置課程實(shí)施案例分析

通過創(chuàng)意機(jī)械裝置的具體制作流程來進(jìn)行案例分析，本案例具有學(xué)科交叉融合的特點(diǎn)：

2.1 作品的構(gòu)思與設(shè)計

學(xué)生在構(gòu)思自己的automata 作品時， 借鑒了美國動力學(xué)雕塑家安東尼豪的設(shè)計靈感，見圖1。這種創(chuàng)意風(fēng)格的作品視覺效果很魔幻，所以他也被人稱為風(fēng)之魔法師。里約奧運(yùn)會開幕式上的大型動態(tài)藝術(shù)裝置就是他的作品之一。 他作品里面那種流動，旋轉(zhuǎn)的節(jié)奏，以及里面所體現(xiàn)出來的自然、科學(xué)、和機(jī)械美學(xué)的結(jié)合給學(xué)生創(chuàng)造了設(shè)計靈感。 學(xué)生以此作為設(shè)計來源，用自己設(shè)計制作的automata 去實(shí)現(xiàn)一種獨(dú)特，連貫的視覺效果。 流暢絲滑的傳動效果融合精美的異域紋飾， 最終展現(xiàn)對美的追求是學(xué)生創(chuàng)作的終極目標(biāo)。

圖1 安東尼·豪的藝術(shù)作品

有了初步設(shè)計構(gòu)想，就要將想要實(shí)現(xiàn)的動作通過機(jī)構(gòu)表達(dá)出來，在設(shè)計傳動裝置的具體細(xì)節(jié)時，要先為它設(shè)計一個傳動裝置。這套裝置能夠?qū)崿F(xiàn)要表達(dá)的絲滑流暢的效果。此時名畫克勞德·莫奈畫的《撐陽傘的女人》，見圖2。女孩在微風(fēng)中衣裙飄飄的形象給了學(xué)生很好的設(shè)計靈感， 通過網(wǎng)絡(luò)查閱資料選定了波浪機(jī)這種成組的凸輪傳動裝置去實(shí)現(xiàn)這種裙擺在風(fēng)中飄動， 上下起伏的狀態(tài)，見圖3。

圖2 撐陽傘的女人

圖3 凸輪成組波浪機(jī)

2.2 作品的制作與改進(jìn)

制作過程中首先確定作品傳動部分的連接細(xì)節(jié)和具體尺寸。 因?yàn)椴ɡ藱C(jī)傳動部分以凸輪為主體，需要大量凸輪，且精度要求很高， 所以決定采用激光切割的方式去制作凸輪。 由于最終設(shè)計的構(gòu)想是要實(shí)現(xiàn)絲滑流暢的傳動效果，前期需要大量的尺寸計算，由于學(xué)生來自不同院系， 草圖構(gòu)思設(shè)計部分不過分強(qiáng)調(diào)使用專業(yè)制圖軟件繪圖。 凸輪及各傳送零件草圖，見圖4。

圖4 零件尺寸繪制的草圖

確定好草圖尺寸后， 需要確定零件加工制造方法，根據(jù)課程目標(biāo)是讓學(xué)生在體驗(yàn)創(chuàng)意機(jī)械裝置全生命周期制造過程的同時， 能夠跨學(xué)科了解更多的加工制造方法，根據(jù)學(xué)生這個創(chuàng)意機(jī)械裝置的特點(diǎn)，可以選擇激光或者數(shù)控銑加工，由于凸輪及上部表演部件的圓環(huán)外形輪廓相對單一，但數(shù)量較多，因此選擇激光加工，當(dāng)然，在這個過程中，強(qiáng)調(diào)的是讓學(xué)生了解加工制造方法及原理，并不是培養(yǎng)學(xué)生單一的學(xué)習(xí)某種工藝技能。圖5 是根據(jù)草圖繪制的電子圖，可以進(jìn)行激光加工，也可以采用數(shù)控進(jìn)行銑削。

圖5 CAD 零件圖

繪制好圖紙排好版就可以進(jìn)行激光切割，切割后由于激光高熱會使零件邊緣變黑，所以使用由低到高鉬數(shù)的砂紙進(jìn)行打磨、以呈現(xiàn)最后的展示效果。 激光加工見圖6。

圖6 激光切割表演部分圓環(huán)

在所有零件全部打磨好之后就進(jìn)入了組裝調(diào)試階段。這一步要先用雙面膠初步固定，調(diào)整好角度再用木工膠水固定。 初步調(diào)試見圖7。

圖7 凸輪部分組裝調(diào)試效果

凸輪組裝完成后， 將φ2mm 的銅棒鋸割好尺寸插入上固定板中， 因?yàn)樗辛慵叽绾驼麄€組裝過程都經(jīng)過了反復(fù)測量與精細(xì)計算， 所以在組裝完成后基本可以實(shí)現(xiàn)順暢的轉(zhuǎn)動。

圖8 插入剪好的2mm 銅棍，測試小孔和凸輪是否齊

2.3 藝術(shù)紋飾結(jié)合機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)最好的表達(dá)效果

同學(xué)在方案做到這個時候， 發(fā)現(xiàn)波浪機(jī)這種傳動裝置沒有辦法很好的去模擬裙擺這種過于飄逸和隨機(jī)的自然形態(tài)，一開始設(shè)計的關(guān)于表演部分的方案可能行不通。這時需要充分發(fā)揮跨學(xué)科的相關(guān)知識， 用學(xué)生相關(guān)的專業(yè)課內(nèi)容結(jié)合創(chuàng)意裝置對最初的原創(chuàng)設(shè)計進(jìn)行迭代，學(xué)生通過幾種預(yù)想方案的比對， 決定將傳統(tǒng)紋樣繪制在波浪機(jī)的傳動裝置上，利用波浪機(jī)獨(dú)特的運(yùn)動狀態(tài)，去動態(tài)地、立體地呈現(xiàn)一個傳統(tǒng)紋樣的生命力。

在仔細(xì)挑選之后， 決定采用澳洲原住民藝術(shù)作為表面涂裝的靈感來源，因?yàn)樵谶@種藝術(shù)形式里，圖案以圓形漩渦紋為主，輔以少量的直線幾何紋飾，和已經(jīng)制作好的圓環(huán)狀的表演裝置很搭。 而且里面出現(xiàn)的蜥蜴，袋鼠，魚之類的動物形體都很簡化， 體現(xiàn)出一種原始生殖崇拜的野性的生命力。 圖9 為澳洲原住民藝術(shù)插畫。

圖9 澳洲原住民藝術(shù)插畫

學(xué)生選擇的澳洲原住民藝術(shù)中所有的漩渦都是彩色的點(diǎn)組成的，所以在畫automata 上頂板的時候，用各種各樣直徑的銅棍或木棍沾上丙烯顏料按在板子上， 點(diǎn)完了所有的圖案，這個環(huán)節(jié)給最后呈現(xiàn)效果注入了靈魂。

至于表演部分的紋樣， 因開始設(shè)計時的尺寸誤差導(dǎo)致圓環(huán)寬度不夠， 這個缺陷不利于俯視時紋樣的視覺呈現(xiàn)，辦法總比困難多，課程上每一處失敗的教訓(xùn)最后都將凝聚為寶貴的財富，學(xué)生臨危不亂、積極應(yīng)對將圖案繪制在白紙上， 并將繪有圖案的白色卡紙剪成了比木環(huán)稍寬的圓環(huán)粘貼在木環(huán)上，完成了表演部分的制作。上頂板及俯視呈現(xiàn)效果，見圖10。

圖10 上頂板及俯視紋飾呈現(xiàn)效果

經(jīng)過前期設(shè)計-制造-裝配-調(diào)試-涂裝的過程， 最終的作品傳動十分順滑， 視覺效果也讓人感覺到傳統(tǒng)紋樣在呼吸和律動，很神奇。學(xué)生對這種從未接觸前所未有的體驗(yàn)都很驚奇， 也對自己能夠完成體驗(yàn)產(chǎn)品的全生命周期過程非常滿意。圖11 為作品細(xì)節(jié)圖及學(xué)生設(shè)計的產(chǎn)品宣傳海報。

圖11 創(chuàng)意機(jī)械裝置細(xì)節(jié)圖及海報

3 課程建設(shè)發(fā)揮的作用

創(chuàng)意機(jī)械裝置綜合實(shí)踐教學(xué)課程的建設(shè)及運(yùn)行過程中凝聚實(shí)驗(yàn)室全體實(shí)踐指導(dǎo)人員，有目標(biāo)、有計劃、高質(zhì)量地完成課程建設(shè)任務(wù)， 相關(guān)課程教學(xué)資源服務(wù)于工程能力教育、工程素質(zhì)教育、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育及科研成果轉(zhuǎn)化。

在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中發(fā)揮了幾個方面的重要作用：

（1）為本科生學(xué)科交叉融合工程訓(xùn)練培養(yǎng)開創(chuàng)了新模式。通過課程建設(shè)，探索將勞動教育與創(chuàng)新成果相結(jié)合的綜合性實(shí)踐教學(xué)評價機(jī)制， 以學(xué)生在課程中獲得的各項能力為基本出發(fā)點(diǎn)， 從不同方面入手評價學(xué)生的學(xué)習(xí)收獲，包括：專業(yè)知識與技能水平的提升、主動發(fā)現(xiàn)與解決問題的能力、 用切實(shí)可行的手段將自己的創(chuàng)造性想法落實(shí)到最后作品上的能力等。 探索跨實(shí)驗(yàn)室融合式工程實(shí)踐教學(xué)模式， 提高學(xué)生主動參與實(shí)踐的積極性的同時又提高學(xué)生的綜合工程應(yīng)用能力。

（2）綜合提升實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)人員技術(shù)水平，挖掘?qū)嶒?yàn)人員創(chuàng)新能力?？鐚W(xué)科、跨實(shí)驗(yàn)室課程建設(shè)為實(shí)踐教學(xué)創(chuàng)新提供了新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇， 為提升實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)人員技術(shù)水平、挖掘創(chuàng)新能力提供了方向和思路。通過本次教學(xué)平臺的建設(shè)及課程實(shí)施， 實(shí)驗(yàn)室人員的創(chuàng)新能力與實(shí)驗(yàn)技術(shù)水平都有了大幅度的提升，具體體現(xiàn)在：人員協(xié)調(diào)、統(tǒng)籌管理、論文撰寫能力等方面均有顯著提升。本次成果參與教師，在課程建設(shè)中，凝練基于CDIO 實(shí)踐教學(xué)模式，充分發(fā)揮學(xué)生的主觀能動性，避免冗長枯燥的理論介紹，探索融合創(chuàng)意設(shè)計、手工制作、機(jī)械加工的綜合性項目實(shí)踐教學(xué)模式和運(yùn)行機(jī)制， 為培養(yǎng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)型人才奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

（3）全生命周期沉浸式實(shí)踐方式，獲得了良好的教學(xué)效果。產(chǎn)品的設(shè)計及制造是一個龐大的體系，在平臺教學(xué)載體的實(shí)施過程中盡可能的將多種生產(chǎn)制造模式進(jìn)行相互交融，互相融合，從而呈現(xiàn)最好的設(shè)計效果，將教學(xué)資源合理有效利用、 全生命周期的體驗(yàn)?zāi)軌蜃寣W(xué)生獲得系統(tǒng)、全面、實(shí)際有效的解決工程領(lǐng)域問題的能力，有助于學(xué)生日后繼續(xù)深造。

（4）創(chuàng)意機(jī)械裝置教學(xué)載體市場潛力巨大。創(chuàng)意機(jī)械裝置逐漸向藝術(shù)設(shè)計領(lǐng)域滲透， 其商業(yè)價值開發(fā)切入點(diǎn)包括且不限于藝術(shù)品收藏、 兒童科普科教開發(fā)、 玩具設(shè)計、家居美陳、主題展覽式場景搭建，讓停留在紙面上的設(shè)計變得真實(shí)且生動， 這個特點(diǎn)使其具備相當(dāng)大的引流價值，也為學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)提供新思路。

（5）為科研探究、SRT 項目提供重要的科研基礎(chǔ)條件。教學(xué)載體融合多學(xué)科、多工種、材料選擇的多樣性引發(fā)了學(xué)生的創(chuàng)意熱情，為開展SRT 奠定了良好的基礎(chǔ)，創(chuàng)意機(jī)械裝置零件的精密加工涵蓋目前國內(nèi)較為先進(jìn)的在機(jī)檢測技術(shù)，為科研探究提供了很好的實(shí)驗(yàn)平臺，通過平臺項目的實(shí)施提升了教學(xué)隊伍的教學(xué)水平及科研能力。

4 結(jié)束語

通過完成本次創(chuàng)意機(jī)械裝置綜合實(shí)踐教學(xué)課程建設(shè)，有效解決了實(shí)踐教學(xué)學(xué)科交叉、工種融合的重難點(diǎn)問題，推動了實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)中學(xué)科交叉、跨實(shí)驗(yàn)室的有機(jī)融合。 使學(xué)生系統(tǒng)、全面的對于產(chǎn)品工程制造進(jìn)行創(chuàng)新式、探索式的學(xué)習(xí)，使學(xué)生具備了合理分析產(chǎn)品設(shè)計、制造工藝的能力； 對于項目的具體實(shí)施和規(guī)劃得到實(shí)際演練及應(yīng)用；對于成本核算、團(tuán)隊協(xié)作及解決實(shí)際工程問題有了更深刻的體會?？鐚W(xué)科、跨實(shí)驗(yàn)室融合式工程訓(xùn)練模式將以往單一模塊小工種實(shí)習(xí)方式轉(zhuǎn)變?yōu)樘嵘到y(tǒng)工藝知識、創(chuàng)新設(shè)計能力、工程管理能力的綜合實(shí)踐課程，為培養(yǎng)綜合工程應(yīng)用能力與工程素養(yǎng)的人才奠定了基礎(chǔ)。