基于TRIZ 理論的機械基礎創(chuàng)新實驗教學體系的構建

江 帆，孫 驊，胡一丹，庾在海

（廣州大學機械與電氣工程學院，廣東廣州510006）

機械基礎系列課程，是工科院校覆蓋面廣的主干課程，所涉及到實驗課程主要培養(yǎng)工科學生具有豐富的實驗思想、方法和手段，同時能提供綜合性很強的基本實驗技能訓練，是培養(yǎng)學生機械設計、研究、開發(fā)能力的一個重要環(huán)節(jié)，為培養(yǎng)新時期自主創(chuàng)新人才和研究型工程創(chuàng)新人才奠定堅實的基礎。同時，在培養(yǎng)學生嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度、活躍的創(chuàng)新思維、理論聯(lián)系實際和適應科技發(fā)展的綜合應用能力等方面，具有其他實踐類課程不可替代的作用[1]。因此，研究適合機械創(chuàng)新人才培養(yǎng)的機械基礎實驗體系，具有重要意義。本文將TRIZ理論（TRIZ是俄文Т е о р и и Р е ш е н и я И з о б р е т а т е л ь с к и х З а д а ч的英文音譯Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch的縮寫）引入到機械基礎實驗體系構建中，建立機械基礎創(chuàng)新實驗教學體系。

1 我國高校機械基礎實驗體系改革進展

1.1 傳統(tǒng)機械基礎實驗體系存在的問題

傳統(tǒng)機械基礎實驗體系，基本上是根據(jù)教學基本要求來配置實驗，并且很多是單一的驗證性實驗，學生對實驗準備過程和實驗方法步驟的設立，缺乏必要的思考和理解，實驗在被動中進行，得不到全面系統(tǒng)的訓練，更不能得到創(chuàng)造性和綜合性的訓練。實驗教學存在以下問題：

（1）每個實驗都有固定的指導書，包括實驗目的、實驗設備、實驗原理和方法、實驗步驟，甚至還包括實驗報告的格式等。學生只需按部就班就可以完成實驗。學生的思維和行為方式都被固化為統(tǒng)一的模式。沒有自己思考和創(chuàng)造的空間，很難激發(fā)學生的求知欲。

（2）實驗教學模式單一，且完全按教師的安排進行，學生的主動性和創(chuàng)新性很難得到發(fā)揮。

（3）隨著科技的快速發(fā)展和學生知識結構的變化，實驗內容中沒有增加相關領域的新知識和新技術，綜合性、設計性實驗較少，同時容易挫傷學生的專業(yè)興趣。實驗側重于驗證理論，學生不能從實驗中探求未知、研究和創(chuàng)新。

（4）實驗僅作為課堂教學的附屬，課程成績不能反映學生的實驗能力和水平；導致實驗本身缺乏吸引力，從而挫傷了學生進行實驗的積極性和主動性，客觀上助長了重理論、輕實驗的錯誤觀點，影響了實驗教學的效果。特別是由于實驗過程中沒有提供實驗設計、研究條件，所以也就談不上通過實驗使學生探求未知、培養(yǎng)研究能力和創(chuàng)新能力[2]。傳統(tǒng)機械基礎實驗教學體系培養(yǎng)的學生畢業(yè)工作后，很難面對企業(yè)生產中專業(yè)技術的實際問題，提不出有價值的技術方案，更談不上用創(chuàng)新思維解決技術問題和創(chuàng)新設計了。因此要進行實驗教學體系的改革，增強學生的動手能力、思考能力和創(chuàng)新能力。

1.2 高校機械基礎實驗體系的改革現(xiàn)狀

目前，一些高校對機械基礎實驗體系進行較大改革。例如北京航空航天大學，改革了機械基礎實驗教學體系，拓展學生對機械設計對象形態(tài)、組成、結構及工作原理的認知和理解。構建新的實驗教學包括四大模塊：工程技能培養(yǎng)模塊，工程對象認知/理解模塊，工程設計/分析測試能力，工程創(chuàng)新設計能力，共32個實驗項目，綜合性、設計性實驗比例為50%[1]。

重慶交通大學構建基于新質量觀的機械基礎實驗教學體系，使學生具備相當?shù)膶I(yè)綜合素質、實踐動手能力和創(chuàng)新能力，建立了完善的實驗教學內容，由24個實驗項目組成，其中綜合性、設計性實驗比例為63%[3]。

海軍航空工程學院進行了以培養(yǎng)創(chuàng)新能力為目標的機械基礎實驗教學體系改革，采取措施激發(fā)學員的主動性和創(chuàng)新性，實驗體系有5個大項：基礎力學實驗、機械設計實驗、機械性能測試實驗、機械系統(tǒng)效率測定實驗、機械工程材料實驗，共20個實驗項目，綜合性、設計性實驗比例為75%。

還有很多高校進行了機械基礎實驗體系的改革，從國內高校機械基礎實驗體系改革來看，都在強調增強學生的創(chuàng)新能力，但沒有提到創(chuàng)新思維的理論指導。廣州大學機械與電氣工程學院將TRIZ理論融入機械基礎實驗體系改革中，以系統(tǒng)的理論來指導學生在實驗中的創(chuàng)新。

2 TR I Z理論及其在機械實驗教學體系中的應用

2.1 TR I Z理論簡介

TRIZ理論是G·S·Altshuller為主的前蘇聯(lián)科研人員，通過對數(shù)百萬件發(fā)明專利分析、研究和綜合多學科領域知識的基礎上，形成的理論體系。TRIZ理論提出用39個通用技術參數(shù)來描述問題，通過這39個通用技術參數(shù)，可以將一個具體問題表達為一個TRIZ問題。

這些通用技術參數(shù)是：運動物體的重量，靜止物體的重量，運動物體的長度，靜止物體的長度，運動物體的面積，靜止物體的面積，運動物體的體積，靜止物體的體積，速度，力，應力或壓力，形狀，溫度，光照度，功率，結構的穩(wěn)定性，強度，可靠性，測試精度，制造精度，可制造性，可操作性，可維修性，適應性及多用性，裝置的復雜性，監(jiān)控與測試的困難程度，自動化程度，生產率，運動物體作用時間，靜止物體作用時間，運動物體的能量，靜止物體的能量，能量損失，物質損失，信息損失，時間損失，物質或事物的數(shù)量，物體外部有害因素，物體內部有害因素。

同時，TRIZ理論提煉出40個最重要的、具有普遍用途的發(fā)明原理，這40個發(fā)明原理按照序號1～40分別為：分割，抽取，局部質量，增加不對稱性，組合合并，多用性，嵌套，重量補償，預先反作用，預先作用，事先防范，等勢性，反向作用，曲面化，動態(tài)化，未達到或過度的作用，維數(shù)變化，振動，周期性作用，有效作用的連續(xù)性，減少有害作用的時間，變有害為有益，反饋，借助中介物，自服務，復制，廉價替代品，機械系統(tǒng)替代，氣壓或液壓結構，柔性殼體或薄膜，多孔材料，改變顏色，同質性，拋棄或再生，物理化學參數(shù)變化，相變，熱膨脹，加速氧化，惰性環(huán)境和復合材料。

在產品改進過程中，如何選用上述發(fā)明原理來指導改進工作，TRIZ理論提出了矛盾矩陣，該矩陣將上述的39個通用技術參數(shù)與40個發(fā)明原理建立對應關系，很好地解決了改進過程中如何選擇發(fā)明原理的難題[4]。

2.2 TR I Z理論在機械實驗教學體系中的應用

當前，機械基礎實驗教學體系需要大力培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維與創(chuàng)新能力，從上面的介紹看到，TRIZ理論是一個系統(tǒng)地指導人們創(chuàng)新和解決各種問題的理論。TRIZ理論在機械基礎實驗教學中有三方面的應用。

（1）TRIZ發(fā)明原理直接應用機械基礎實驗教學體系中。TRIZ理論的40條發(fā)明原理可以直接指導學生進行創(chuàng)新設計，解決一些實驗中碰到的問題。例如在機構創(chuàng)新組合實驗中，可以用組合合并、分割、嵌套、替代等發(fā)明原理，解決如何使設計的機構達到機構功能要求的問題。

（2）TRIZ理論中的沖突解決原理，為教師和學生提供實驗過程各種沖突的解決指南。TRIZ理論的主體部分是解決沖突，對解決物理沖突和技術沖突都有一整套比較規(guī)范的流程，如圖1所示，技術沖突解決的基本過程為：沖突的分析，沖突的標準化描述，查閱TRIZ理論沖突矩陣，找到相應的發(fā)明原理，根據(jù)對應的發(fā)明原理進行沖突的求解。TRIZ理論解決沖突的關鍵，是沖突的分析與沖突的標準描述。

（3）TRIZ理論系統(tǒng)進化理論、物質-場分析、ARIZ算法等作為進階創(chuàng)新實驗的指導思路進行問題求解，如創(chuàng)新軸系組合設計中物質-場分析能為密封圈磨損有害作用消除提供標準解法。機械基礎實驗中碰到的實際問題很多，有時不一定是沖突問題，而有些是系統(tǒng)改進、有害作用消除、復雜非標準發(fā)明問題，應用產品系統(tǒng)進化論、物質-場分析、ARIZ算法可以較好地解決。

圖1 技術沖突解決流程

3 基于TR I Z理論的創(chuàng)新實驗教學體系的構建

為了激發(fā)學生的創(chuàng)新熱情，引入TRIZ理論，構建機械基礎實驗教學體系如圖2所示，實驗體系由驗證性實驗、設計性實驗、綜合性實驗、創(chuàng)新性實驗組成，其中創(chuàng)新性實驗主要突出創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

圖2 機械基礎實驗教學體系

本實驗體系中增加的創(chuàng)新性實驗，分別是機構創(chuàng)意設計實驗、組合式軸系設計實驗、機械系統(tǒng)創(chuàng)意設計實驗。

其中機構創(chuàng)意設計實驗，主要是對常見的機構進行創(chuàng)意組合，由學生自己設計機構用途，設計機構簡圖，最后根據(jù)簡圖搭建機構，并分析其合理性。

組合式軸系設計實驗，主要是提供一定數(shù)量的齒輪類、軸類、套筒類、端蓋類、支座類、軸承類等，學生進行圓柱齒輪、圓錐齒輪和蝸桿軸系的結構創(chuàng)新設計，解決軸承類型選擇、軸上零件的定位、軸承安裝、間隙調整、潤滑和密封等問題，并進行結構圖繪制，受力分析等，解決其中的一些矛盾與沖突。

機械系統(tǒng)創(chuàng)意設計實驗，是要求學生按照一定的設計要求，設計一個機械或者一個簡單系統(tǒng)，并進行一個完成的設計，包括功能原理分析、力的分析、強度計算與校核等。

在創(chuàng)新性實驗中，指導學生充分采用TRIZ理論進行創(chuàng)新設計。例如，例如設計一種創(chuàng)新性螺絲刀，希望能夠快速省力。采用TRIZ理論進行求解過程為：首先分析這個題目的工程特性，在39個標準參數(shù)中找到合適的描述，即“＃10力”、“＃25時間損失”、“＃33可操作性”作為改善的工程特性。對于工程特性“＃10力”出現(xiàn)率較高的發(fā)明原理有：參數(shù)變化、預操作、狀態(tài)變化、熱膨脹、動態(tài)化、分隔、分離等；對于“＃33可操作性”出現(xiàn)率較高的發(fā)明原理有：分隔、反向、分離、參數(shù)變化、動態(tài)化、維數(shù)變化、等勢性等。根據(jù)這些發(fā)明原理，可以設計出許多創(chuàng)新的螺絲刀出來（如圖3所示）。

圖3 螺絲刀創(chuàng)新設計實例[5]

在實踐中，這些創(chuàng)新性實驗僅給出實驗項目，要求學生自己調研、查閱參考文獻、確定具體的實驗方法、討論并確定實驗的實施方案、確定具體的實驗步驟、參照TRIZ理論解決實驗中的具體問題獲得創(chuàng)新解、相關實驗裝置設備準備及實施實驗、寫成實驗報告，通過這些流程鍛煉學生獨立思考、團隊協(xié)助、創(chuàng)新思考的能力。這個過程中教師要注意引導，適當?shù)臅r機給予提示，主要還是放手讓學生自己動手。

4 結束語

通過引入TRIZ理論到實驗教學中，將其中發(fā)明原理和沖突解決原理應用于機械基礎創(chuàng)新實驗教學體系，幫助學生解決實驗中的問題，給學生創(chuàng)新思考方式的指導，提高學生創(chuàng)新思維和實踐動手能力。本實驗教學體系在實踐中發(fā)揮了較好的作用，并將繼續(xù)在實踐中提煉基于機械基礎實驗的問題案例，以快速提高學生的創(chuàng)新能力。

[1]楊 洋，席 平，張玉茹.注重素質，面向創(chuàng)新，構建機械基礎實驗教學體系[J].實驗技術與管理，2008,25(1):11-15.

[2]盧其炎，周海峰.機械基礎實驗教學改革與創(chuàng)新[J].中國現(xiàn)代教育裝備，2009，(7):72-73.

[3]張世義.基于新質量觀的機械基礎實驗教學改革[J].重慶工學院學報，2009，21(1):161-163.

[4]江 帆，王一軍，劉曉初，等.TRIZ理論在汽車電子技術課程教學中的應用[J].理工高教研究，2007，26（3）：96-97.

[5]安小凡.基于TRIZ的機械產品創(chuàng)新設計方法研究[D].天津:天津大學，2007.