TRIZ理論導向的《復合材料學》教學方法探索與創新平臺構建

胥煥巖，湯卉，王鳳春，亓淑艷，翁凌

摘要：以TRIZ理論為導向，對《復合材料學》課程的教學方法探索和創新平臺構建進行了有意義的討論和實踐嘗試。采用立體化的教學手段、互動式的教學方式、多層次的教學模式、科學性的教學評價，對本課程的教學體系進行改革，實現理論教學與實踐教學有機對接，培養學生研究型學習能力。構建以課程設計為先導、以生產實習為紐帶、以創新實驗為提升的創新平臺，提高學生創新能力。

關鍵詞：TRIZ；復合材料學；教學方法；創新平臺

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）09-0051-03

《復合材料學》是無機非金屬材料工程專業本科生的專業平臺課程，課程內容側重于復合材料基礎知識的講授，涉及理論性、設計性與實踐性等內容。本門課程側重復合材料的基本概念、結構設計原理、增強體材料的性能及制造工藝、界面結構及特征、金屬基復合材料、高分子聚合物基復合材料、無機非金屬復合材料的設計原理與制造技術、工藝等教學，課程內容相對抽象，理論枯燥難懂，而且，教學中多以教師講解為主，學生只是被動接受，限制了學生創新意識，制約了學生能力的提高。因此，必須從教學創新入手，探索教學方法，構建創新平臺，以TRIZ理論為導向，培養學生的實踐和創新能力，向社會輸送優秀的無機非金屬材料工程技術人才。

一、關于TRIZ理論

1946年，前蘇聯學者里奇·阿奇舒勒（G.S.Altshuller）在綜合研究世界近250萬份高水平發明專利基礎上，分析了各種技術發展進化遵循的規律模式、各種解決技術矛盾和物理矛盾的創新原理和法則，構建了TRIZ理論體系[1]。TRIZ理論認為發明創造大多遵循共同的規律或法則，并將這些規律和法則歸納為實現創新的40條創新原理、4個基本分離原理和物場模型，針對具體的問題，可用相應的解題模型得到最佳的解決方案[2]。TRIZ理論具有三個主要的特點：（1）廣泛的適用性；（2）通用、統一的求解參數；（3）規范、科學的創新步驟[3]。TRIZ理論強調創新能力的培養，創新的關鍵在于非邏輯思維，即逆向思維[4]。TRIZ理論認為創新是有規律可循的，并不是靈感的閃現和隨機的探索。這些規律可以指導人們按照什么樣的方法和過程進行創新，并且創新結果具有一定的預測性和可控性。如果掌握了這些規律，就能夠主動地進行創新并對創新加以預測[5]。創新思維能沖破傳統的條框，大膽地質疑，敢于發表與眾不同的意見和建議。創新思維，是在普通思維方式方法的基礎上發展并建立起來的，后天培養和鍛煉可以使人們形成創新思維，TRIZ理論則可以加速這一培養過程，盡快地養成創新思維的習慣[6]。

將TRIZ理論應用到《復合材料學》教學中，創新性教學得以開展，學生的創新思維得以激發，讓學生更系統地分析問題情境，更快速地發現問題本質（矛盾），更準確地確定問題解決方法，幫助他們突破傳統的思維模式和定式，打破傳統思維的條框和約束。運用TRIZ理論，探索教學方法，構建創新平臺，實現無機非金屬材料工程專業本科生的“研究型學習”。

二、教學方法探索

1.立體化的教學手段。《復合材料學》課程承載的知識量較大、課程的理解性和直觀性較強，傳統的教學手段只會使學生得到一些感知性的知識內容，直接的體驗則無法感受，這樣會加大對本門課程學習和理解的難度[7]。雖然TRIZ理論能夠提供一種有效的創新工具，但是，創新的前提仍然建立在堅實的專業基礎和厚實的知識積累基礎之上。為了解決創新能力的培養，必須強調本科生對本學科基礎理論、專業知識和先進技術的系統深入的掌握，形成寬廣的知識面[5]。因此，課題教學仍然不容忽視。對于《復合材料學》的課堂教學，可以采用多媒體、CAI課件等現代教學方法和手段，在有限的課堂教學時間內向學生提供最多的知識量，實現理論教學與實踐教學“無縫對接”，培養學生的研究型學習能力。

2.互動式的教學方式。傳統教學多數遵循“以教師為主體、以課堂為中心”的規則，這種教學方法嚴重束縛了學生的學習思維和創新，更忽視了創新能力的培養，同時，課堂氣氛呆板沉悶，難以激發學生的學習興趣[7]。在《復合材料學》課堂教學中積極嘗試師生互動式的新型教學方式，培養學生獨立學習能力，學生為主，教師為輔，引導學生自主學習、獨立思考。利用現代教學手段，讓老師走下講臺，和學生近距離互動，調動學生參與課堂教學的積極性和主動性，感受參與的快樂和思考的愉悅。另一方面，也讓學生大膽地走上講臺，講出自己的想法和創新，培養科學的思維方式。教學中注意發現并積極開發學生的創新潛能，善于捕捉學生創新思維的亮點，多層面、多維度地培養和開發學生的創新能力與創新個性。同時，在《復合材料學》課堂教學中積極倡導并推行“研究教學”、“項目教學”、“案例教學”的實施，在課堂教學中多提出一些與工程實踐密切相關的創新問題，進一步強化基礎理論與工程實際問題的結合。

3.多層次的教學模式。根據創新培養的普遍需求，緊密跟蹤復合材料國際研究前沿，用最新的科研成果充實教學內容，使之與不同創新型人才的培養有機地結合起來，構建“多層次”、“菜單式”、“模塊化”的《復合材料學》創新教學模式[8]。綜合應用多種教學模式，更具針對性和實效性地培養不同創新型人才，主要模式包括：（1）問題解決模式；（2）自主研究模式；（3）課題參與模式[6]。在問題解決模式中，教師根據具體的教學內容提設相關的問題情境，并積極引導學生主動思考，提出相關問題，正確地指導學生搜集文獻資料，探究事實條件，運用所學的知識理論，尋求問題的解決方法，最終得出科學合理的結論；在自主研究模式中，鼓勵學生在理論學習中發現新問題、在社會實踐中發現新問題，所涉及的問題范圍比較寬廣，然后教師正確地指導學生搜集相關資料，制定研究計劃，實施研究方案，最后根據所提問題的研究結果撰寫研究報告；在課題參與模式中，鼓勵學生參與教師的科研課題，在課題研究中將科學探索與科學實踐有機地結合起來，讓學生在協助教師科研的過程中接觸相關領域的研究前沿，了解先進技術的前沿發展動態，增強求知欲望與探索樂趣，增添課題組的新生力量，培訓學生的動手創新能力。

4.科學性的教學評價。科學的教學評價包括兩個層面：學生成績評價、教師績效評價。在高校教學實踐中，很多教師采用傳統的觀念和方式評價一個學生的學業情況，主要評價標準和依據就是學生在課堂教學中是否聽話、考試成績是否合格或者優秀[9]，這種評價方式單一、死板，缺乏評價的綜合性。在TRIZ理論導向下，教師對學生學業的科學評價應該更看重學生的創新能力和創新思維[10]。教師評價與學生自主評價有機結合構成學生學業的綜合評價，然后采用TRIZ理論獲得合適的權重，科學全面地評價學生的學習效果。教師評價應包括兩部分：一部分是學生平時參與研究性學習的表現，采用計分的形式，詳細記載學生參與互動的積極性和綜合表現；另一部分是考試，建立專家系統試題庫，考試時隨機抽取命題，全面考察學生對該課程基礎理論知識的掌握程度和運用能力，特別強調創新能力的考察，最后通過適宜的權重綜合給出學生的學業評價。學生自主評價主要是其他同學對某一學生的學業和創新能力的評價，一般是在創新成果匯報交流的時候，請聽眾學生對主講學生進行綜合評價[6]。教師績效評價應采用學生評價、同行評價、專家評價相結合的形式，用TRIZ理論求得合適的權重，科學有效地評價教師的教學績效，并給出整改意見和相應措施，以便進一步改進教學方法和模式。這種雙約束的評價機制，更有利于學生和教師全身心地投入到創新型學習和教學中。

三、創新平臺構建

1.以課程設計為先導。課程設計一般由教師提出設計題目和設計目標，學生利用自己所學知識和設計技巧進行設計。它不僅考查學生掌握本專業知識能力，更能考查學生運用知識的能力和創造能力[9]。對于《復合材料學》的課程設計，可以教師出題目，學生抽簽決定題目。根據所抽到的題目（如復合材料層合板設計、基體材料選擇設計、增強材料選擇設計、復合材料使用安全系數設計、復合材料的結構設計等），依據所學基礎知識，就相關題目進行資料的收集和整理并將其做成課件的形式進行匯報。判定課程設計的優劣關鍵在于設計方案是否新穎、合理，理論運用是否正確，科學分析是否嚴密，數值計算是否準確，等等。因此，課程設計能夠較好地檢查學生的創造能力[9]，是構建《復合材料學》課程創新平臺的重要組成部分。

2.以生產實習為紐帶。生產實習與課堂教學的有機融合可以讓學生把生產實踐和理論知識緊密地結合起來，實現理論與實踐的有機統一，這樣能夠更好地激發學生的創新潛能。在生產實習中往往會遇到一些技術性難題或者有新的發現和感受，這時就可以讓學生運用所學知識積極主動地去尋求解決問題的最佳方案，既讓他們參與到教學活動中，又促使他們產生探索知識的強烈欲望，進一步提高他們解決實際問題的能力，從而大大激發學生學習的能動性。在生產實習中獲取實踐經驗和對理論知識的感性認識，進而逐漸培養出各自的創造才能[11]。例如聚合物基復合材料的手糊成型工藝，它具有產品尺寸和產量不受限制，操作簡單，投資少，成本低，能合理使用增強材料，可在任意部位增厚補強等優點，而被廣泛使用。學生在實習現場發現工人的勞動強度太大，就提出了能否采用機械自動化工藝，看到操作現場條件惡劣，揮發性聚合物的氣味較大，就提出降低揮發性聚合物使用量的工藝方案，等等。實踐證明，生產實習可以大大激發學生發現問題、分析問題、解決問題的潛能，從而提高他們的創新能力。同時，還要積極地鼓勵教師的研究工作室與生產實習企業建立聯合研發中心，提高教師團隊的整體業務能力，尤其是科研能力和創新素質[12]。

3.以創新實驗為提升。開放實驗室，推動創新實驗，向學生開放所有實驗資源，讓學生成為實驗的設計者、組織者和參與者。學生的實驗性質也由傳統的驗證型實驗向創新型實驗轉變[9]。自由組隊，自主選題，答辯考核，充分挖掘學生的主觀能動性和創新意識。讓學生提出設計思路、制定實驗方案、查閱參考資料、操作實驗步驟，使其處于教學實踐活動的主體地位，教師只做適當的指導。這樣，有利于調動學生學習的主觀能動性、激發學生解決問題的興趣、培養學生分析問題和解決問題的能力。例如，無機2010級趙航等5位同學，在我的指導下，根據TiO2和電氣石自身的晶體結構特點，提出了TiO2/電氣石復合光催化劑，使TiO2的光催化性能得到很大提高，具有特色鮮明的創新意義。并且，他們申報的創新項目“天然鐵電氣石‘固定—功能增強納米TiO2一體化設計與機理研究”入選國家大學生創新創業訓練計劃（項目編號：201210214006）。實踐證明，運用創新實驗提升學生的創新能力具有重要的意義，是構建《復合材料學》課程創新平臺的關鍵環節。

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基金項目：哈爾濱理工大學教學研究課題重點項目（P201100098）。

作者簡介：胥煥巖（1975-），男，博士，教授，哈爾濱理工大學材料學院，研究方向：無機非金屬材料。