基于TRIZ 理論的機(jī)械基礎(chǔ)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)建

江 帆，孫 驊，胡一丹，庾在海

（廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣東廣州510006）

機(jī)械基礎(chǔ)系列課程，是工科院校覆蓋面廣的主干課程，所涉及到實(shí)驗(yàn)課程主要培養(yǎng)工科學(xué)生具有豐富的實(shí)驗(yàn)思想、方法和手段，同時(shí)能提供綜合性很強(qiáng)的基本實(shí)驗(yàn)技能訓(xùn)練，是培養(yǎng)學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)、研究、開(kāi)發(fā)能力的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，為培養(yǎng)新時(shí)期自主創(chuàng)新人才和研究型工程創(chuàng)新人才奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)，在培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、活躍的創(chuàng)新思維、理論聯(lián)系實(shí)際和適應(yīng)科技發(fā)展的綜合應(yīng)用能力等方面，具有其他實(shí)踐類課程不可替代的作用[1]。因此，研究適合機(jī)械創(chuàng)新人才培養(yǎng)的機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)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(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)體系構(gòu)建中，建立機(jī)械基礎(chǔ)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系。

1 我國(guó)高校機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)體系改革進(jìn)展

1.1 傳統(tǒng)機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)體系存在的問(wèn)題

傳統(tǒng)機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)體系，基本上是根據(jù)教學(xué)基本要求來(lái)配置實(shí)驗(yàn)，并且很多是單一的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備過(guò)程和實(shí)驗(yàn)方法步驟的設(shè)立，缺乏必要的思考和理解，實(shí)驗(yàn)在被動(dòng)中進(jìn)行，得不到全面系統(tǒng)的訓(xùn)練，更不能得到創(chuàng)造性和綜合性的訓(xùn)練。實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在以下問(wèn)題：

（1）每個(gè)實(shí)驗(yàn)都有固定的指導(dǎo)書，包括實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)原理和方法、實(shí)驗(yàn)步驟，甚至還包括實(shí)驗(yàn)報(bào)告的格式等。學(xué)生只需按部就班就可以完成實(shí)驗(yàn)。學(xué)生的思維和行為方式都被固化為統(tǒng)一的模式。沒(méi)有自己思考和創(chuàng)造的空間，很難激發(fā)學(xué)生的求知欲。

（2）實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式單一，且完全按教師的安排進(jìn)行，學(xué)生的主動(dòng)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(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)的變化，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中沒(méi)有增加相關(guān)領(lǐng)域的新知識(shí)和新技術(shù)，綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)較少，同時(shí)容易挫傷學(xué)生的專業(yè)興趣。實(shí)驗(yàn)側(cè)重于驗(yàn)證理論，學(xué)生不能從實(shí)驗(yàn)中探求未知、研究和創(chuàng)新。

（4）實(shí)驗(yàn)僅作為課堂教學(xué)的附屬，課程成績(jī)不能反映學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰退剑粚?dǎo)致實(shí)驗(yàn)本身缺乏吸引力，從而挫傷了學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的積極性和主動(dòng)性，客觀上助長(zhǎng)了重理論、輕實(shí)驗(yàn)的錯(cuò)誤觀點(diǎn)，影響了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。特別是由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有提供實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、研究條件，所以也就談不上通過(guò)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生探求未知、培養(yǎng)研究能力和創(chuàng)新能力[2]。傳統(tǒng)機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系培養(yǎng)的學(xué)生畢業(yè)工作后，很難面對(duì)企業(yè)生產(chǎn)中專業(yè)技術(shù)的實(shí)際問(wèn)題，提不出有價(jià)值的技術(shù)方案，更談不上用創(chuàng)新思維解決技術(shù)問(wèn)題和創(chuàng)新設(shè)計(jì)了。因此要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的改革，增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力、思考能力和創(chuàng)新能力。

1.2 高校機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)體系的改革現(xiàn)狀

目前，一些高校對(duì)機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)體系進(jìn)行較大改革。例如北京航空航天大學(xué)，改革了機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，拓展學(xué)生對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)對(duì)象形態(tài)、組成、結(jié)構(gòu)及工作原理的認(rèn)知和理解。構(gòu)建新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)包括四大模塊：工程技能培養(yǎng)模塊，工程對(duì)象認(rèn)知/理解模塊，工程設(shè)計(jì)/分析測(cè)試能力，工程創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，共32個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)比例為50%[1]。

重慶交通大學(xué)構(gòu)建基于新質(zhì)量觀的機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，使學(xué)生具備相當(dāng)?shù)膶I(yè)綜合素質(zhì)、實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，建立了完善的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，由24個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目組成，其中綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)比例為63%[3]。

海軍航空工程學(xué)院進(jìn)行了以培養(yǎng)創(chuàng)新能力為目標(biāo)的機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系改革，采取措施激發(fā)學(xué)員的主動(dòng)性和創(chuàng)新性，實(shí)驗(yàn)體系有5個(gè)大項(xiàng)：基礎(chǔ)力學(xué)實(shí)驗(yàn)、機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、機(jī)械性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)、機(jī)械系統(tǒng)效率測(cè)定實(shí)驗(yàn)、機(jī)械工程材料實(shí)驗(yàn)，共20個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，綜合性、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)比例為75%。

還有很多高校進(jìn)行了機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)體系的改革，從國(guó)內(nèi)高校機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)體系改革來(lái)看，都在強(qiáng)調(diào)增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，但沒(méi)有提到創(chuàng)新思維的理論指導(dǎo)。廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院將TRIZ理論融入機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)體系改革中，以系統(tǒng)的理論來(lái)指導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中的創(chuàng)新。

2 TR I Z理論及其在機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中的應(yīng)用

2.1 TR I Z理論簡(jiǎn)介

TRIZ理論是G·S·Altshuller為主的前蘇聯(lián)科研人員，通過(guò)對(duì)數(shù)百萬(wàn)件發(fā)明專利分析、研究和綜合多學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)的基礎(chǔ)上，形成的理論體系。TRIZ理論提出用39個(gè)通用技術(shù)參數(shù)來(lái)描述問(wèn)題，通過(guò)這39個(gè)通用技術(shù)參數(shù)，可以將一個(gè)具體問(wèn)題表達(dá)為一個(gè)TRIZ問(wèn)題。

這些通用技術(shù)參數(shù)是：運(yùn)動(dòng)物體的重量，靜止物體的重量，運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)度，靜止物體的長(zhǎng)度，運(yùn)動(dòng)物體的面積，靜止物體的面積，運(yùn)動(dòng)物體的體積，靜止物體的體積，速度，力，應(yīng)力或壓力，形狀，溫度，光照度，功率，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，強(qiáng)度，可靠性，測(cè)試精度，制造精度，可制造性，可操作性，可維修性，適應(yīng)性及多用性，裝置的復(fù)雜性，監(jiān)控與測(cè)試的困難程度，自動(dòng)化程度，生產(chǎn)率，運(yùn)動(dòng)物體作用時(shí)間，靜止物體作用時(shí)間，運(yùn)動(dòng)物體的能量，靜止物體的能量，能量損失，物質(zhì)損失，信息損失，時(shí)間損失，物質(zhì)或事物的數(shù)量，物體外部有害因素，物體內(nèi)部有害因素。

同時(shí)，TRIZ理論提煉出40個(gè)最重要的、具有普遍用途的發(fā)明原理，這40個(gè)發(fā)明原理按照序號(hào)1～40分別為：分割，抽取，局部質(zhì)量，增加不對(duì)稱性，組合合并，多用性，嵌套，重量補(bǔ)償，預(yù)先反作用，預(yù)先作用，事先防范，等勢(shì)性，反向作用，曲面化，動(dòng)態(tài)化，未達(dá)到或過(guò)度的作用，維數(shù)變化，振動(dòng)，周期性作用，有效作用的連續(xù)性，減少有害作用的時(shí)間，變有害為有益，反饋，借助中介物，自服務(wù)，復(fù)制，廉價(jià)替代品，機(jī)械系統(tǒng)替代，氣壓或液壓結(jié)構(gòu)，柔性殼體或薄膜，多孔材料，改變顏色，同質(zhì)性，拋棄或再生，物理化學(xué)參數(shù)變化，相變，熱膨脹，加速氧化，惰性環(huán)境和復(fù)合材料。

在產(chǎn)品改進(jìn)過(guò)程中，如何選用上述發(fā)明原理來(lái)指導(dǎo)改進(jìn)工作，TRIZ理論提出了矛盾矩陣，該矩陣將上述的39個(gè)通用技術(shù)參數(shù)與40個(gè)發(fā)明原理建立對(duì)應(yīng)關(guān)系，很好地解決了改進(jìn)過(guò)程中如何選擇發(fā)明原理的難題[4]。

2.2 TR I Z理論在機(jī)械實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中的應(yīng)用

當(dāng)前，機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系需要大力培養(yǎng)學(xué)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(gè)系統(tǒng)地指導(dǎo)人們創(chuàng)新和解決各種問(wèn)題的理論。TRIZ理論在機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有三方面的應(yīng)用。

（1）TRIZ發(fā)明原理直接應(yīng)用機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中。TRIZ理論的40條發(fā)明原理可以直接指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，解決一些實(shí)驗(yàn)中碰到的問(wèn)題。例如在機(jī)構(gòu)創(chuàng)新組合實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)達(dá)到機(jī)構(gòu)功能要求的問(wèn)題。

（2）TRIZ理論中的沖突解決原理，為教師和學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)過(guò)程各種沖突的解決指南。TRIZ理論的主體部分是解決沖突，對(duì)解決物理沖突和技術(shù)沖突都有一整套比較規(guī)范的流程，如圖1所示，技術(shù)沖突解決的基本過(guò)程為：沖突的分析，沖突的標(biāo)準(zhǔn)化描述，查閱TRIZ理論沖突矩陣，找到相應(yīng)的發(fā)明原理，根據(jù)對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理進(jìn)行沖突的求解。TRIZ理論解決沖突的關(guān)鍵，是沖突的分析與沖突的標(biāo)準(zhǔn)描述。

（3）TRIZ理論系統(tǒng)進(jìn)化理論、物質(zhì)-場(chǎng)分析、ARIZ算法等作為進(jìn)階創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的指導(dǎo)思路進(jìn)行問(wèn)題求解，如創(chuàng)新軸系組合設(shè)計(jì)中物質(zhì)-場(chǎng)分析能為密封圈磨損有害作用消除提供標(biāo)準(zhǔn)解法。機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中碰到的實(shí)際問(wèn)題很多，有時(shí)不一定是沖突問(wèn)題，而有些是系統(tǒng)改進(jìn)、有害作用消除、復(fù)雜非標(biāo)準(zhǔn)發(fā)明問(wèn)題，應(yīng)用產(chǎn)品系統(tǒng)進(jìn)化論、物質(zhì)-場(chǎng)分析、ARIZ算法可以較好地解決。

圖1 技術(shù)沖突解決流程

3 基于TR I Z理論的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的構(gòu)建

為了激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新熱情，引入TRIZ理論，構(gòu)建機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系如圖2所示，實(shí)驗(yàn)體系由驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)、綜合性實(shí)驗(yàn)、創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)組成，其中創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)主要突出創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

圖2 機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

本實(shí)驗(yàn)體系中增加的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，分別是機(jī)構(gòu)創(chuàng)意設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、組合式軸系設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、機(jī)械系統(tǒng)創(chuàng)意設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。

其中機(jī)構(gòu)創(chuàng)意設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，主要是對(duì)常見(jiàn)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)意組合，由學(xué)生自己設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)用途，設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，最后根據(jù)簡(jiǎn)圖搭建機(jī)構(gòu)，并分析其合理性。

組合式軸系設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，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(xué)生進(jìn)行圓柱齒輪、圓錐齒輪和蝸桿軸系的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)，解決軸承類型選擇、軸上零件的定位、軸承安裝、間隙調(diào)整、潤(rùn)滑和密封等問(wèn)題，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)圖繪制，受力分析等，解決其中的一些矛盾與沖突。

機(jī)械系統(tǒng)創(chuàng)意設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，是要求學(xué)生按照一定的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)械或者一個(gè)簡(jiǎn)單系統(tǒng)，并進(jìn)行一個(gè)完成的設(shè)計(jì)，包括功能原理分析、力的分析、強(qiáng)度計(jì)算與校核等。

在創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)中，指導(dǎo)學(xué)生充分采用TRIZ理論進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。例如，例如設(shè)計(jì)一種創(chuàng)新性螺絲刀，希望能夠快速省力。采用TRIZ理論進(jìn)行求解過(guò)程為：首先分析這個(gè)題目的工程特性，在39個(gè)標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)中找到合適的描述，即“＃10力”、“＃25時(shí)間損失”、“＃33可操作性”作為改善的工程特性。對(duì)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(yù)操作、狀態(tài)變化、熱膨脹、動(dòng)態(tài)化、分隔、分離等；對(duì)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(dòng)態(tài)化、維數(shù)變化、等勢(shì)性等。根據(jù)這些發(fā)明原理，可以設(shè)計(jì)出許多創(chuàng)新的螺絲刀出來(lái)（如圖3所示）。

圖3 螺絲刀創(chuàng)新設(shè)計(jì)實(shí)例[5]

在實(shí)踐中，這些創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)僅給出實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，要求學(xué)生自己調(diào)研、查閱參考文獻(xiàn)、確定具體的實(shí)驗(yàn)方法、討論并確定實(shí)驗(yàn)的實(shí)施方案、確定具體的實(shí)驗(yàn)步驟、參照TRIZ理論解決實(shí)驗(yàn)中的具體問(wèn)題獲得創(chuàng)新解、相關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)備準(zhǔn)備及實(shí)施實(shí)驗(yàn)、寫成實(shí)驗(yàn)報(bào)告，通過(guò)這些流程鍛煉學(xué)生獨(dú)立思考、團(tuán)隊(duì)協(xié)助、創(chuàng)新思考的能力。這個(gè)過(guò)程中教師要注意引導(dǎo)，適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)給予提示，主要還是放手讓學(xué)生自己動(dòng)手。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)引入TRIZ理論到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，將其中發(fā)明原理和沖突解決原理應(yīng)用于機(jī)械基礎(chǔ)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，幫助學(xué)生解決實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題，給學(xué)生創(chuàng)新思考方式的指導(dǎo)，提高學(xué)生創(chuàng)新思維和實(shí)踐動(dòng)手能力。本實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系在實(shí)踐中發(fā)揮了較好的作用，并將繼續(xù)在實(shí)踐中提煉基于機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)的問(wèn)題案例，以快速提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

[1]楊 洋，席 平，張玉茹.注重素質(zhì)，面向創(chuàng)新，構(gòu)建機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2008,25(1):11-15.

[2]盧其炎，周海峰.機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與創(chuàng)新[J].中國(guó)現(xiàn)代教育裝備，2009，(7):72-73.

[3]張世義.基于新質(zhì)量觀的機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革[J].重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)，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(shù)課程教學(xué)中的應(yīng)用[J].理工高教研究，2007，26（3）：96-97.

[5]安小凡.基于TRIZ的機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法研究[D].天津:天津大學(xué)，2007.