TRIZ理論標準化解題流程的拓展及在大氣化學教學中的應用

陳強 朱玉凡 楊宏

摘? 要：在高校課堂教學中，培養(yǎng)學生的科學思維是人才培養(yǎng)的重要環(huán)節(jié)。文章分析了TRIZ理論解決問題標準化流程中包含的從特殊問題抽象事物的本質(zhì)和利用一般規(guī)律映射到具體問題解決的兩種思維方法，將TRIZ理論解決工程技術領域問題的標準化流程拓展到待解決的自然科學問題的研究領域，在待解決實際問題和最終解決方案之間建立通用問題模型和快速尋找合適的科學理論和方法得到通用解的橋梁，將通用解映射到實際問題得到最終解決方案。拓展的TRIZ理論解決問題標準化流程在自然科學問題研究上具有廣泛的應用性、普遍性和高效性，將其應用到《大氣化學》光化學反應動力學的教學中，建立了解決光化學反應動力學問題的標準化流程，使學生容易理解和掌握化學反應動力學知識，能有效地培養(yǎng)學生科學的思維方法和提升本科生創(chuàng)新能力。

關鍵詞：TRIZ理論;解決問題標準化流程;大氣化學教學

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）14-0071-04

Abstract： In the classroom teaching of universities， cultivating students' scientific thinking is a vital part for talent cultivation. The two thinking modes of the essence of abstract things from special problems and the use of general laws to map to specific problems are contained in the problem solving standardization process of TRIZ theoretical. The problem solving standardization process of TRIZ theoretical is expanded to solve problems in the natural sciences. Building a common problem model between the actual problem to be solved and the final solution can help researchers quickly find the rational scientific theory or method to get a general solution， and then get the final solution. The expanded standardization process of problem solving， which has broad applicability， universality and high efficiency in innovative methods， is introduced into the teaching of photochemical reaction kinetics of atmospheric chemistry. These can effectively cultivate the scientific thinking and improve the innovative abilities of students.

Keywords： TRIZ theory; problem solving standardization process; atmospheric chemistry teaching

高等教育肩負著培養(yǎng)高素質(zhì)科學研究和社會服務型人才的重要使命，是實現(xiàn)中華民族偉大復興和國家發(fā)展戰(zhàn)略目標的重要保障途徑。高等教育的目標之一就是提升學生科學的思維能力[1，2]，在課程教學中，如何培養(yǎng)學生科學的思維方式已成為高校人才培養(yǎng)的主要研究課題之一[3，4]?？茖W思維是人類在科學活動中所使用的思維方式，包括邏輯思維、形象思維和靈感思維[5]。前蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒在對近250萬件高水平發(fā)明專利分析的基礎上，綜合多學科領域的知識，發(fā)現(xiàn)了解決各種技術矛盾和物理矛盾的創(chuàng)新原理和法則，提出了發(fā)明問題的解決理論（TRIZ理論）[6]。被稱為“超級發(fā)明術”的TRIZ理論是基于技術系統(tǒng)的發(fā)展演化規(guī)律，通過科學思維分析待解決問題，高效地指導人們進行發(fā)明創(chuàng)造和解決工程領域難題的系統(tǒng)化的創(chuàng)新方法學[7]，自從該方法公布以來，在工程技術、管理、社會等諸多方面得到有效的應用[8]。近年來，國內(nèi)外部分高校也將TRIZ理論納入高等學校的教學內(nèi)容，有效地提升了學生的創(chuàng)新能力[9，10]。

TRIZ理論為人們創(chuàng)造性地解決工程技術領域問題提供了系統(tǒng)的理論和方法，其中，系統(tǒng)和規(guī)范的標準化解題流程是TRIZ理論在科學思維實際應用上的重大貢獻之一。目前，有學者探索TRIZ理論在其它學科教學中的應用[11]，尚處于探索階段，沒有形成系統(tǒng)的理論框架。化學反應動力學教學對完善學生的知識結(jié)構(gòu)和培養(yǎng)創(chuàng)新能力有重要意義[12]，也是大氣化學教學的重點和難點之一。本研究剖析了TRIZ理論標準化解題流程中的思維方法，將其解決工程技術問題的流程進一步拓展到解決自然科學問題，并應用于大氣化學的課程教學，探討高校本科生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的途徑。

一、TRIZ理論解決問題的標準化流程及拓展

TRIZ理論是以科學知識為基礎，運用科學思維創(chuàng)建的系統(tǒng)化解決問題的方法和理論。阿奇舒勒認為通過科學的方法分析待解決的實際問題，發(fā)現(xiàn)隱含在其中的核心矛盾;將待解決的實際問題進行歸納，抽象為通用的TRIZ問題模型;應用TRIZ帶有普遍性的創(chuàng)新理論和算法工具得到通用問題模型的TRIZ通用解;進一步將通用解映射到具體問題得到實際問題的解決方案，見圖1。

TRIZ理論是在待解決的實際問題和最終解決方案之間，通過構(gòu)建問題模型和通用解的橋梁為解決實際問題指明了方向，避免了傳統(tǒng)試錯法因沒有明確的解決方向而導致的失敗，明顯的提高了解決的實際問題的效率。解決問題的步驟科學化和規(guī)范化是TRIZ理論在科學思維實際應用上的重大貢獻，也是其得以廣泛應用的關鍵。

對TRIZ理論解決問題流程標準化中的科學思維模式進行剖析，發(fā)現(xiàn)其核心是通過特殊問題抽象事物的本質(zhì)和利用一般規(guī)律映射到具體問題的兩種思維方法構(gòu)建TRIZ問題模型和通用解的橋梁高效地解決實際問題。將TRIZ解決問題流程標準化的科學思維模式進一步外推到自然科學研究中， 把人們關注的自然科學中客觀存在的事物及其運動形態(tài)定義為研究對象，對應于TRIZ理論解決工程技術問題中的待解決的實際問題。實際的研究對象具有復雜性，很難直接找到現(xiàn)有的科學理論和方法解決實際問題。因此，通過對表征研究對象數(shù)據(jù)的收集和分析，使用科學語言精確地描述研究對象。將研究對象的表象進一步歸納、簡化，抽象其內(nèi)在本質(zhì)，從而建立可用科學語言表達的定量化的通用問題模型。通常數(shù)學模型的描述能精練和準確地反映研究對象的本質(zhì)，因此，很多通用問題模型最終都轉(zhuǎn)化為數(shù)學模型。然后就可以使用已有的科學理論和方法，借助計算機技術進行求解，得到通用解，最后再映射回去解決實際的問題。解決自然和社會實際問題的標準化流程見圖2。

通用問題模型只是科學認識研究對象的一種獨特形式，建立通用問題模型本身并不是最終目的。通過通用問題模型及其通用解這座橋梁，提高利用科學理論和方法解決實際問題的效率，在任何自然和社會科學研究中具備廣泛應用的基礎。因此，解決實際問題的標準化流程是一種重要的創(chuàng)新思維方法。以解決光化學反應動力學問題的標準化流程為例來說明解決實際問題的標準化流程的應用。

二、建立解決光化學反應動力學問題的標準化流程

（一）研究對象-光化學反應速率問題的確定

培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題和提出問題要比學生在老師的指導下解決問題更重要。因此，在教學活動中，如何充分激發(fā)和調(diào)動學生的積極性和主觀能動性，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題的能力是課堂教學的重要環(huán)節(jié)。在光化學反應動力學教學中，以我國臭氧污染這一大眾關注的熱點環(huán)境問題為例，提升學生學習興趣，將因果分析的方法引入課堂教學，培養(yǎng)學生發(fā)現(xiàn)問題的能力。

早在上世紀70年代，蘭州西固區(qū)就出現(xiàn)了光化學煙霧現(xiàn)象，近幾年我國城市臭氧污染問題凸顯，對人體健康和大氣環(huán)境質(zhì)量造成嚴重的不良影響。面對臭氧污染問題，利用因果分析的方法，讓學生探索臭氧污染形成的原因。在大氣存在NOx時，光照下發(fā)生光化學反應生成NO和O3，同時O3又直接將NO氧化或光解生成O將NO氧化為NO2（即反應1見圖3），此時，大氣中的臭氧不會大量積累。當大氣中存在VOCs時，活性O等參與反應生成的過氧自由基（RO2或RCOO2等）將NO氧化為NO2，反應1和2為競爭反應（見圖4），如果反應2的速率快于反應1，會導致O3濃度的增加。如何通過定量方法證實這一推測呢？就需要認知參與光化學反應的每個反應的快慢，使學生明白通過對光化學反應的動力學的研究可揭示環(huán)境空氣中臭氧濃度的變化。

（二）建立通用問題模型及求解通用解

以學生為主體，充分調(diào)動學生應用已有的知識和方法來學習新的知識，可以有效地激發(fā)學生學習興趣，養(yǎng)成自主探索的學習習慣。啟發(fā)學生聯(lián)想物體運動的快與慢的問題就是物體運動的速率，采用類比的研究思路和方法理解光化學反應速率?；瘜W反應的本質(zhì)是反應物分子的化學鍵斷裂和新的化學鍵形成新分子的微觀運動，宏觀表象為反應物減少甚至消失以及生成新的產(chǎn)物。不論物體運動的速率還是化學反應的速率，都可以抽象為單位時間某一變量的變化，因此，建立通用光化學反應動力學問題模型是兩個變量之間的關系問題。根據(jù)拓展的TRIZ理論解決問題的標準化流程，從已有的科學理論和方法中尋找解決兩個變量之間關系的問題的方法，通常解決兩個變量關系的數(shù)學方法有列表法、圖像法和函數(shù)法。不論是反應物還是產(chǎn)物的濃度均隨時間的變化而變化，濃度（c）和時間（t）兩個變量都為可測的量，把不同反應時間測定的物質(zhì)濃度列表，利用打點計時器法計算物體運動平均速率的方法，很容易得到化學反應的平均速率，但無法得到某一時刻的瞬時速率。根據(jù)測定的數(shù)據(jù)制作濃度-時間圖，即光學反應動力學動力學曲線（或c-t曲線），通過計算曲線上任意一點切線的斜率，就可以得到任意時刻的瞬時速率。借助計算機技術擬合得到的濃度與時間的函數(shù)關系（表達為c=f（t）），計算任意時刻該函數(shù)的一階導數(shù)值則為該時刻的瞬時速率。根據(jù)計算的反應速率進一步得到反應速率與濃度的關系函數(shù)，r=f（c），這一關系就是化學反應速率方程的通用解。通過通用問題模型和求解通用解，學生很容易掌握宏觀光學反應速率的研究方法。解決光化學反應動力學問題的標準化流程見圖5。

（三）最終解決方案

環(huán)境空氣中，NO2光解是臭氧產(chǎn)生的主要反應，以NO2光解反應為例，將化學反應速率通用解映射到具體如下反應中：

根據(jù)實驗測定的NO2光解反應的NO2濃度和時間的動力學曲線，通過擬合得到NO2的光解反應速率方程如下：

學生能完全理解光化學反應速率的應用。再把反應速率方程進一步推廣到任何一個化學反應：

介紹Guldberg 和Waage經(jīng)過系統(tǒng)研究，得出反應動力學速率方程的數(shù)學表達式如下：

方程式中的α，β為反應級數(shù)。比例系數(shù)k即為反應速率系數(shù)，是一個與濃度無關的表征化學反應速率特征的重要參數(shù)，其物理意義是當反應物的濃度均為單位濃度時的反應速率。利用拓展的TRIZ理論解決問題的標準化流程和學生掌握的物體運動速率的知識，學生很容易理解和掌握光化學反應動力學的知識點，在實際教學中也取得很好的效果。

將TRIZ理論解決問題的步驟和思維方法引入到光化學反應動力學的教學中，建立解決光化學反應動力學問題的標準化流程（見圖5），培養(yǎng)學生通過特殊問題抽象事物的本質(zhì)和利用一般規(guī)律映射到具體問題兩種思維方法。針對具體問題能夠遵循TRIZ理論中思維訓練的基本步驟，使學生更好地掌握知識貫通與遷移能力，使學生能夠高效地發(fā)現(xiàn)問題、準確定義問題的矛盾，逐步克服思維局限，提高學生解決實際問題的創(chuàng)新能力。

三、結(jié)論

（1）將TRIZ理論解決問題的標準化流程的應用拓展到解決自然和社會科學問題的研究領域，在待解決的實際問題和最終解決方案之間建立通用問題模型這座橋梁，可以幫助研究者快速尋找合適的科學理論和方法得到通解，進而映射到最終解決方案，拓展的TRIZ理論解決問題標準化流程的具有廣泛的易用性、普遍性和高效性。

（2）將拓展的TRIZ理論解決問題標準化流程引入到光化學反應動力學的教學中，建立解決光化學反應動力學的標準化流程，可以有效地培養(yǎng)學生通過特殊問題抽象事物的本質(zhì)和利用一般規(guī)律映射到具體問題兩種思維方法，提升本科生創(chuàng)新能力。

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