基于TRIZ理論的工作坊模式在食品機(jī)械設(shè)計教學(xué)中的應(yīng)用初探

（滁州學(xué)院生物與食品工程學(xué)院，安徽滁州 239000）

食品機(jī)械設(shè)計是食品科學(xué)與工程專業(yè)的核心內(nèi)容，隨著食品工業(yè)對機(jī)械設(shè)備自動化、先進(jìn)性、精密性要求的不斷提高，需要更多的專業(yè)人才對食品機(jī)械進(jìn)行改造或再創(chuàng)造以符合靈活多變的市場需求。日常教學(xué)中，對于食品機(jī)械設(shè)計多采用講解和多媒體演示等方式，幫助學(xué)生熟悉現(xiàn)有機(jī)械與設(shè)備的構(gòu)造及應(yīng)用，但對如何啟發(fā)學(xué)生產(chǎn)生改造性或突破性的創(chuàng)新想法并無顯著效果。近年來我們在教學(xué)中嘗試應(yīng)用TRIZ理論，邀請校外行業(yè)專家一起采用工作坊教學(xué)模式，尋找一種有效培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力的教學(xué)方法，使學(xué)生能夠主動應(yīng)用創(chuàng)新理論解決食品機(jī)械設(shè)計問題。

一 基于TRIZ理論的工作坊模式教學(xué)思路

TRIZ理論是由前蘇聯(lián)發(fā)明家阿奇舒勒通過對近250萬份高質(zhì)量發(fā)明專利分析、歸納、匯總、重組后，提出的一種問題解決理論，可應(yīng)用于工程技術(shù)、醫(yī)學(xué)、教學(xué)、管理等領(lǐng)域。[1]TRIZ理論是目前唯一能夠提供解決方案的工具包，特別是在思路萌發(fā)和問題解決的環(huán)節(jié)，能夠有效幫助研究者產(chǎn)生創(chuàng)新理念從而得到解決方案。Gordon等認(rèn)為機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)想產(chǎn)生在模糊前端階段，將TRIZ理論應(yīng)用于模糊前端階段，構(gòu)建出各類設(shè)想模型，最終可得到先進(jìn)性好、可行性高的解決方案，從而為機(jī)械設(shè)計產(chǎn)品的創(chuàng)新實現(xiàn)奠定有力的基礎(chǔ)。[2]

“工作坊”概念是由美國學(xué)者勞倫斯·哈普林（Lawence Harplin）率先提出，自90年代傳入我國后，因其互動性強(qiáng)、開放度高、易激發(fā)創(chuàng)新方案等特點成為高校課程教學(xué)爭相嘗試的教學(xué)手段。[3]但目前在應(yīng)用型本科院校食品機(jī)械設(shè)計類課程教學(xué)上的實際運用案例還很少。工作坊模式是將十余名學(xué)生組成一個團(tuán)隊，每個團(tuán)隊在主持人（高校教師、企業(yè)專家等）的引導(dǎo)下，通過資料搜集、頭腦風(fēng)暴、小組討論、組間競爭等方式共同探討某個話題，以得到多個有效的產(chǎn)品或設(shè)計方案。

食品機(jī)械設(shè)計創(chuàng)新一般通過創(chuàng)新理念設(shè)計、制造、商業(yè)化三個階段實現(xiàn)，而創(chuàng)新理念設(shè)計又是機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新的核心階段。[4]因此，應(yīng)用TRIZ理論訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新思維，采用工作坊教學(xué)模式給予不同學(xué)生團(tuán)隊任務(wù)目標(biāo)，并邀請主題相關(guān)的企業(yè)專家共同指導(dǎo)學(xué)生完善設(shè)計方案，最終旨在培養(yǎng)創(chuàng)新思維活躍、問題解決能力卓越、團(tuán)隊協(xié)作能力優(yōu)秀的應(yīng)用型食品工程創(chuàng)新人才。

二 基于TRIZ理論的工作坊模式教學(xué)設(shè)計

（一）教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

以食品機(jī)械設(shè)計中殺菌設(shè)備設(shè)計為例，食品工業(yè)中常見殺菌設(shè)備表面均有密封件，測量殺菌鍋內(nèi)樣品溫度的探針需從密封件中通入，由此會影響密封件的密封性，時有蒸汽泄露現(xiàn)象成為安全隱患。本研究以“改善滅菌鍋密封件的密封性”為例，邀請企業(yè)食品裝備專家共同指導(dǎo)各個學(xué)生工作坊應(yīng)用TRIZ理論對密封件系統(tǒng)進(jìn)行分析，擬得到可行性高、安全性強(qiáng)的密封件改造方案。

（二）校企雙師配置及管理

1.企業(yè)專家配置

針對殺菌設(shè)備改造，可邀請知名殺菌設(shè)備制造企業(yè)的資深工程師。企業(yè)資深工程師一直從事設(shè)備的研發(fā)工作，能給予學(xué)生最貼近市場的實戰(zhàn)指導(dǎo)。筆者所在食品學(xué)院長期與滁州及周邊企業(yè)保持良好互動關(guān)系，因此可根據(jù)課程內(nèi)容邀請對應(yīng)的企業(yè)專家開展教學(xué)活動。

2.校企雙師管理

為保證教學(xué)效果，高校教師需提前與企業(yè)專家溝通謀劃，以發(fā)揮最大作用。具體注意事項如下：

一是課前籌劃。根據(jù)課程主題，高校教師與企業(yè)專家共同設(shè)計教學(xué)內(nèi)容，使教學(xué)內(nèi)容銜接自然、避免重復(fù)，科學(xué)有序地分配學(xué)時。

二是課上指導(dǎo)。各個學(xué)生工作坊團(tuán)隊開展思考與討論時，企業(yè)專家和高校教師均要結(jié)合自身知識體系與經(jīng)驗給予學(xué)生啟發(fā)性的指導(dǎo)，而不要直接給出問題答案。筆者（周頔）通過國內(nèi)創(chuàng)新方法研究會的培訓(xùn)與考核已獲得創(chuàng)新工程師二級資質(zhì)，對TRIZ理論有一定的應(yīng)用經(jīng)驗，因此我們將側(cè)重指導(dǎo)學(xué)生對TRIZ理論的理解與掌握；企業(yè)專家將根據(jù)多年市場實戰(zhàn)經(jīng)驗側(cè)重對學(xué)生所得方案可行性、應(yīng)用性、市場化的把握。此外，校企雙師要相互配合，把控課程節(jié)奏，共同啟發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，并幫助學(xué)生盡可能地完善產(chǎn)品。

三是評價環(huán)節(jié)。高校教師從方案的創(chuàng)新性、技術(shù)性、完整性等方面給予客觀評價，企業(yè)專家從方案的市場化、可行性、合規(guī)性等方面給予客觀評價，也可將學(xué)生產(chǎn)品與市場優(yōu)秀成熟產(chǎn)品進(jìn)行對比評價。

（三）教學(xué)方式的具體設(shè)計

針對“改善滅菌鍋密封件的密封性”這個問題，校企雙師將指導(dǎo)各個學(xué)生工作坊學(xué)習(xí)，并掌握TRIZ理論中最常用的裁剪分析法和物場分析法的邏輯思維以及基本方法，后由學(xué)生團(tuán)隊針對問題提出改善方案。具體教學(xué)方式見表1。

表1 教學(xué)方式簡表

三 基于TRIZ理論的工作坊模式教學(xué)效果

（一）有效激發(fā)創(chuàng)新思維，顯著提升學(xué)生綜合素質(zhì)

基于TRIZ理論，各個學(xué)生工作坊團(tuán)隊在企業(yè)專家與高校教師的共同指導(dǎo)下開展了主動學(xué)習(xí)、問題討論等一系列學(xué)習(xí)活動，最終可得到數(shù)種方案。此外，各個工作坊成員在整個學(xué)習(xí)活動過程中的語言表達(dá)、團(tuán)隊協(xié)作、溝通交流、匯報答辯等能力均得到不同程度的提高，有效契合了企業(yè)對應(yīng)用型高校本科生綜合素質(zhì)的要求?，F(xiàn)將學(xué)生得到的代表性改善方案輯錄如下：

1.裁剪分析法的改善方案

圖1展示的是學(xué)生團(tuán)隊分析得到的滅菌鍋密封件的各個組件及其功能圖。系統(tǒng)中的方矩圖框代表組件，實線箭頭代表組件之間有益作用的方向，虛線箭頭代表組件之間有害作用的方向，箭頭上的文字代表組件與組件之間的作用關(guān)系。根據(jù)系統(tǒng)分析的結(jié)果，對價值低、功能類似、具有害功能或離系統(tǒng)作用對象最遠(yuǎn)僅提供輔助功能的組件進(jìn)行裁剪，用叉型符號標(biāo)注。

圖1 密封件系統(tǒng)裁剪前組件模型圖

通過對圖1蒸汽滅菌鍋密封件系統(tǒng)裁剪分析，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)中可將大螺帽蓋、大螺帽身、螺栓、內(nèi)部螺帽均裁剪掉，四孔橡膠圈和空心橡膠圈實現(xiàn)自我壓緊，二者相連阻隔水蒸氣實現(xiàn)密封。通過系統(tǒng)裁剪分析后，得到的新方案為將原有密封件改裝為新密封件，其形狀上設(shè)計為中間有兩層圓片狀吸盤式橡膠墊、上下為中心有孔的圓柱形橡膠塞，并使用時上層圓墊用耐高溫密封膠粘結(jié)在滅菌鍋面上，下層圓墊置于滅菌鍋內(nèi)部，緊貼鍋曲面，雙重保障塞子噴出。材質(zhì)上，選取耐高溫、有熱脹冷縮功能的材料，更易于塞緊洞口。

2.物場分析法的改善方案

依據(jù)物場分析法對密封件密封性不足的問題進(jìn)行解決，第一，建立原始物場模型，根據(jù)因果分析發(fā)現(xiàn)四孔橡膠圈處密封性不足的原因之一：孔隙的存在使水蒸氣有泄露的路徑，具體如圖2-(A)所示；第二，通過查找76個標(biāo)準(zhǔn)解發(fā)現(xiàn)“引入改進(jìn)的S1來消除有害作用”適用于解決問題，即新增一個空心橡膠圈，外徑和四孔橡膠圈底部直徑相同、內(nèi)徑能遮住四孔橡膠圈一半的空隙，從而減少蒸汽的暢通，達(dá)到雙重密封的效果；第三，得到該項目解決方案的物場模型，具體見圖2-(B)所示。

圖2 物場模型圖

（二）創(chuàng)新設(shè)計產(chǎn)品為導(dǎo)向，助力學(xué)生競賽斬獲佳績

我們自2017年開始嘗試新的教學(xué)模式，基于課程內(nèi)容設(shè)定不同的設(shè)計任務(wù)，指導(dǎo)學(xué)生課上形成設(shè)計方案、課下實踐完善方案。我們積極指導(dǎo)食品專業(yè)學(xué)生將最終設(shè)計方案參加專業(yè)創(chuàng)新競賽，兩年間學(xué)生團(tuán)隊體現(xiàn)出的熱情與成果超出預(yù)期（見表2）。其中我們帶領(lǐng)的一支設(shè)備設(shè)計類產(chǎn)品代表學(xué)校參加2018年安徽省互“聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，首次突破創(chuàng)意組金獎。

表2 指導(dǎo)學(xué)生參與競賽獲獎情況

四 結(jié)語

食品科學(xué)與工程專業(yè)注重工程知識與能力的培養(yǎng)，要求學(xué)生具備很強(qiáng)的工程設(shè)計能力、實操能力和綜合運用知識能力。食品機(jī)械設(shè)計作為該專業(yè)核心內(nèi)容之一，其設(shè)計理念及運行特點直接影響食品加工的各個環(huán)節(jié)。創(chuàng)新是食品機(jī)械設(shè)計的靈魂，而大部分學(xué)生很少真正接觸食品機(jī)械，因此對食品機(jī)械的整體感知力較差、對機(jī)械設(shè)計優(yōu)化的想象力不多。本文以改善密封件密封性為例，通過校企雙師共同指導(dǎo)本科生應(yīng)用TRIZ理論中經(jīng)典方法得到了創(chuàng)新性解決方案，對增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力起到了顯著作用。此外，課后注重孵化學(xué)生的創(chuàng)意產(chǎn)品，最終獲得了超出預(yù)期的理想效果。學(xué)生在掌握TRIZ理論中幾種方法的要素后，面對未來遇到的各種食品工程技術(shù)問題，可獨立找到一個或多個問題解決方案，有助于本科生真正成為應(yīng)用型工程創(chuàng)新人才。