TRIZ創(chuàng)新理論與學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)—以CAD課程改革為例

周 琴，楊義勇，徐能雄

中國地質(zhì)大學(xué)（北京）工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083

計算機技術(shù)的快速發(fā)展對機械專業(yè)的基礎(chǔ)課程和專業(yè)課程的課程體系與內(nèi)容等提出了一系列的要求，CAD、CAD/CAM、FEA等已成為提高學(xué)生設(shè)計能力必不可少的工具。CAD課程作為典型的機械專業(yè)課程，目前主要是以三維設(shè)計為主線，將三維建模的原理、方法和技能融入CAD課程所形成的教學(xué)體系、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法[1]。為了在教學(xué)過程中充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和主動性，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和工程意識，探索適合于機械專業(yè)的CAD教學(xué)模式顯得十分重要[2]。

一、CAD課程體系及教學(xué)中的主要矛盾

我校的CAD課程是機械專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，主要面向大學(xué)三年級學(xué)生開設(shè)，其教學(xué)目標是使學(xué)生通過對CAD基本理論和技能的學(xué)習(xí)，掌握三維設(shè)計方法和設(shè)計過程，其課程體系主要圍繞計算機三維設(shè)計軟件的學(xué)習(xí)和工程應(yīng)用進行。

1.目前CAD課程體系的特點

我校CAD課程體系主要分為三個模塊：三維建模、虛擬裝配和工程應(yīng)用。其中三維建模主要是基于特征和參數(shù)化設(shè)計進行建模方法和技能的學(xué)習(xí)；虛擬裝配主要是掌握裝配基準、裝配方法、干涉檢查等內(nèi)容；工程應(yīng)用主要以齒輪減速器設(shè)計為題進行三維設(shè)計，使學(xué)生初步掌握產(chǎn)品的設(shè)計過程。由于SolidWorks軟件是目前三維機械設(shè)計軟件的主流產(chǎn)品，可以實現(xiàn)三維造型到零件的虛擬裝配、結(jié)構(gòu)設(shè)計到運動仿真、結(jié)構(gòu)分析到運動分析等多種功能，因此CAD課程選擇SolidWorks軟件為教學(xué)平臺。

根據(jù)上述的課程體系和教學(xué)平臺，三個模塊的具體教學(xué)內(nèi)容和要求存在一些差異，因此采用不同的教學(xué)方法。三維建模內(nèi)容主要采用“講練”教學(xué)法，教師對不同類型的典型零件進行建模方法和步驟的講解，學(xué)生上機操作，使學(xué)生掌握三維零件設(shè)計方法；虛擬裝配主要采用“演示”教學(xué)法，教師模擬實際裝配過程，強調(diào)裝配初始的基準選擇、裝配技巧及裝配體特征等，使學(xué)生掌握零件的裝配方法和過程；工程應(yīng)用主要采用“實例”教學(xué)法，以齒輪減速器為設(shè)計對象，學(xué)生獨立上機完成零件參數(shù)化建模、裝配體制作、工程圖生成等整個設(shè)計過程，使學(xué)生通過實踐了解“自底向上”的設(shè)計方法，提高學(xué)生綜合運用知識的能力，促進學(xué)生工程意識的培養(yǎng)[3]。

從上述的CAD的課程體系、教學(xué)內(nèi)容和方法可以看出，該課程的學(xué)習(xí)不僅可以有效培養(yǎng)學(xué)生的三維設(shè)計能力，而且通過課程實踐，將學(xué)生所學(xué)的專業(yè)基礎(chǔ)課及部分專業(yè)課，如機械制圖、機械原理、機械設(shè)計、機械制造工藝學(xué)等課程進行了綜合運用，提高了學(xué)生的知識運用和學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。

2.CAD課程教學(xué)中的主要矛盾

雖然CAD課程取得了一定的教學(xué)效果，也得到了學(xué)生的肯定，但在學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)及工程實踐能力的提高方面仍然存在一些不足，主要表現(xiàn)在：教學(xué)內(nèi)容注重學(xué)生綜合運用所學(xué)知識能力的培養(yǎng)，學(xué)生的創(chuàng)新能力沒有得到充分的發(fā)揮；裝配圖采用“自底向上”的設(shè)計方法，影響學(xué)生的原理創(chuàng)新能力的發(fā)揮；實踐環(huán)節(jié)以減速器結(jié)構(gòu)為主要設(shè)計內(nèi)容，學(xué)生的自主創(chuàng)新性得不到體現(xiàn)；教學(xué)中工程實訓(xùn)內(nèi)容不足，學(xué)生的工程意識有待提高；創(chuàng)新理論和實踐內(nèi)容不完善，學(xué)生的創(chuàng)新活動缺乏理論指導(dǎo)等。

CAD課程的這些主要問題和不足，在學(xué)生身上典型體現(xiàn)的是：當(dāng)學(xué)生遇到工程實際中的設(shè)計和制造中的問題時，經(jīng)常找不到有效的創(chuàng)新解決問題的思路和方法，這一點在學(xué)生畢業(yè)設(shè)計和開展具體工作時尤為明顯。這是因為在課程教學(xué)中，學(xué)生學(xué)會了應(yīng)用知識解決“問題”，但是這些所謂的“問題”都是已經(jīng)有解決方法和設(shè)計過程的，都是“老問題”，當(dāng)出現(xiàn)真正意義上的“新問題”時，學(xué)生往往習(xí)慣性地用解決“老問題”的思路和方法去解決“新問題”，這時才發(fā)現(xiàn)他們所學(xué)知識能發(fā)揮的作用并不那么有效。

上述問題的出現(xiàn)，歸根結(jié)底體現(xiàn)了教學(xué)中的“教”與“學(xué)”及“學(xué)”與“用”等問題[4]，學(xué)生所學(xué)知識的具體性、有限性和創(chuàng)新解決實際問題能力培養(yǎng)之間的矛盾。CAD軟件雖然可以提供高效的設(shè)計工具和手段，但CAD軟件并不為學(xué)生提供創(chuàng)新解決問題的思路和方法。因此基于TRIZ創(chuàng)新理論改革CAD課程體系，將解決矛盾的思想集成在CAD的教學(xué)內(nèi)容中，幫助學(xué)生在CAD系統(tǒng)中利用軟件的設(shè)計、分析和仿真等功能實現(xiàn)他們的創(chuàng)新設(shè)計能力[5]。

二、TRIZ創(chuàng)新理論

TRIZ創(chuàng)新理論的目的是研究人類在進行發(fā)明創(chuàng)造、解決技術(shù)難題過程中所遵循的科學(xué)原理、方法和規(guī)律，其核心是創(chuàng)造性問題的解決理論和方法[6]。其包括6個主要內(nèi)容：創(chuàng)新思維方法與問題分析方法；技術(shù)系統(tǒng)進化法則；技術(shù)矛盾解決原理；創(chuàng)新問題標準解法；發(fā)明問題解決算法ARIZ；基于物理、化學(xué)、幾何學(xué)等工程學(xué)原理而構(gòu)建的知識庫[7]。

基于TRIZ創(chuàng)新理論，按照技術(shù)進化原理，技術(shù)系統(tǒng)一直處于進化之中，解決矛盾是其進化的推動力。技術(shù)矛盾常表現(xiàn)為一個系統(tǒng)中兩個子系統(tǒng)之間的矛盾。這與教育領(lǐng)域的活動非常類似，教育過程中的“教”與“學(xué)”的矛盾體現(xiàn)了一個系統(tǒng)中兩個子系統(tǒng)之間的矛盾，這對矛盾的不斷解決推動了教育活動的進化。因此將TRIZ理論用于創(chuàng)新教育改革是可行的。

TRIZ創(chuàng)新教育理論的核心是應(yīng)用TRIZ理論創(chuàng)新性地解決教育中的矛盾和問題。其主要內(nèi)容包括40條創(chuàng)新原理，如分割原理、抽取原理、局部優(yōu)化原理、不對稱性原理、組合原理、多用性原理、預(yù)操作原理、求逆原理、圓滑化原理、動態(tài)性原理、微作用原理、維數(shù)變化原理、交互原理等，這40條創(chuàng)新原理可以單獨使用，也可以將不同的原理組合使用，為我們提供創(chuàng)新解決方法的理論指導(dǎo)[8]。應(yīng)用TRIZ創(chuàng)新教育理論解決教育問題體系（圖1），將教育過程中出現(xiàn)的沖突和矛盾轉(zhuǎn)化為TRIZ的標準問題，采用TRIZ工具得到標準問題的一般解（創(chuàng)新解），將此一般解用于指導(dǎo)教學(xué)改革及實踐，得到具有創(chuàng)新性的有效解決方案。

圖1 TRIZ創(chuàng)新教育解決問題體系

三、應(yīng)用TRIZ理論解決CAD課程體系中的矛盾

由我校CAD課程體系的問題分析可以看出，教學(xué)中的各種矛盾最終轉(zhuǎn)化為“學(xué)”與“用”這一對矛盾上，是影響學(xué)生創(chuàng)新能力的根本問題之一。根據(jù)圖1的解決問題體系，初步擬定采用TRIZ創(chuàng)新教育理論中的分割原理、局部優(yōu)化原理、不對稱性原理、組合原理等，得到一般問題的TRIZ創(chuàng)新解，應(yīng)用于CAD課程體系及教學(xué)環(huán)節(jié)中，提出創(chuàng)新的解決方案（表1）。

表1 基于TRIZ理論的CAD課程體系矛盾解決方案

上述的矛盾解決方案，涉及CAD的課程體系、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段、實踐環(huán)節(jié)和考核方式等各個環(huán)節(jié)，將有效解決CAD教學(xué)中的矛盾和問題。

四、構(gòu)建的CAD創(chuàng)新課程體系

為了提高學(xué)生創(chuàng)新能力和工程應(yīng)用能力，在應(yīng)用TRIZ理論解決CAD課程矛盾的基礎(chǔ)上，將產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計過程（圖2）引入到CAD課程體系中，這不僅可以有效提高學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，對培養(yǎng)學(xué)生的解決實際問題能力也是一個行之有效的方法。

大三的學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了機械專業(yè)的基礎(chǔ)課、專業(yè)基礎(chǔ)課和部分專業(yè)課，了解了產(chǎn)品設(shè)計的基本方法和工程，但創(chuàng)新性解決實際問題的方法和能力還需要訓(xùn)練和培養(yǎng)。因此在CAD教學(xué)中以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和能力為目標，采用“實例”教學(xué)法、“啟發(fā)”教學(xué)法、“TRIZ創(chuàng)新理論”、“頭腦風(fēng)暴法”等進行創(chuàng)新設(shè)計訓(xùn)練，選取夾緊裝置作為設(shè)計對象，針對不同目標需求進行問題分析，對夾緊機構(gòu)進行動力設(shè)計（機、電、液、磁、氣等）和機構(gòu)設(shè)計（連桿、凸輪、曲柄、棘輪、槽輪、卡盤、彈簧、幾何形面等）等進行創(chuàng)新方案設(shè)計，完成設(shè)計并進行三維設(shè)計仿真及工程圖樣表達。根據(jù)CAD課程體系矛盾解決方案，這部分的教學(xué)以學(xué)生分組、教師指導(dǎo)的形式，集中授課和工程訓(xùn)練結(jié)合，將創(chuàng)新設(shè)計和工程實踐有機結(jié)合，使學(xué)生掌握產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計過程并用于實踐，提高學(xué)生的自主創(chuàng)新和工程設(shè)計能力。

圖2 產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計過程

在TRIZ教育理論指導(dǎo)下，構(gòu)建了基于創(chuàng)新設(shè)計目標的CAD課程體系（圖3），該創(chuàng)新課程體系集成了軟件工具和創(chuàng)新設(shè)計方法，充分發(fā)揮學(xué)生的自主創(chuàng)新能力，利用電腦的交互支持功能支持和幫助學(xué)生呈現(xiàn)其“創(chuàng)造性”，推動學(xué)生的創(chuàng)造力,提高設(shè)計效率和效果，很好地提升了學(xué)生的組織能力、進行科學(xué)討論的溝通技巧、精確論證的表達能力等[9]。由此看出，將創(chuàng)新能力培養(yǎng)集成在CAD的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和各教學(xué)環(huán)節(jié)中，并貫穿于學(xué)生的基礎(chǔ)訓(xùn)練、創(chuàng)新設(shè)計及工程應(yīng)用的全過程，對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)有著積極重要的作用。

圖3 CAD創(chuàng)新課程體系

五、結(jié)論

TRIZ理論為技術(shù)創(chuàng)新提供了一整套系統(tǒng)化的解決問題理論、方法工具和解決方案模型，也為創(chuàng)新教育奠定了方法論的基礎(chǔ)[10]，TRIZ創(chuàng)新教育理論已經(jīng)越來越多地被應(yīng)用于教學(xué)改革和實踐中。實踐證明，這不僅可以提高學(xué)生的綜合技能，還鍛煉了學(xué)生綜合運用創(chuàng)新解決問題的能力，較好地解決了“學(xué)”和“用”之間的矛盾以及教學(xué)和實踐的矛盾，為學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供了科學(xué)的理論指導(dǎo)。

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