基于TRIZ 理論的卓越工程師創新教育培養模式的研究*

蒯蘇蘇，李新城，陳寒松，朱長順，黃 舒

(1.江蘇大學 機械工程學院，江蘇 鎮江 212013;2.江蘇大學 工業中心，江蘇 鎮江 212013)

1 引言

“卓越工程師教育培養計劃”旨在培養造就一大批創新能力強、適應經濟社會發展需要的高質量工程技術人才，為國家走新型工業化發展道路、建設創新型國家和人才強國戰略服務。本文在創新方法的最新理論研究前沿上，以創新教育為理念，通過對案例的分析，預測未來發展趨勢，制定合適的戰略，使學生在競爭中取得技術上的領先優勢，成為名副其實的卓越工程師。

2 基于TRIZ 理論的新的理論教學、實驗、實踐性教學環節相融合的模塊化教學模式

當前大學開設的機械原理及設計課程，主要涉及機構學、運動學、動力學的內容和理論;講解機械零件、減速器詳細設計的內容與方法;對產品創新實現規律涉及甚少。為解決學生創造力和創新思維培養的問題，本科階段卓越工程師教育培養計劃應以創新教育為理念，學習工藝知識，增強實踐能力，提高綜合素質，堅持以能力培養為核心的原則，突出特色，根據TRIZ 理論的沖突、進化和效應三模塊［1］，指導學生創造性的解決所遇到的發明問題［2］，用100 個科學效應提高創新水平，具有理論深度和廣度，76 個標準解法，啟迪創新設計思維，設計軟件輔助，提升創新設計效率，工程案例豐富，強化實際操作能力，形成一種新的理論教學、實驗、實踐教學環節相融合的模塊化教學模式。

2.1 在教學中應用40 個發明原理

實踐性教學包含了機器人技術公選課、創新課程、機械原理課程設計、機械設計課程設計、畢業設計等，目前已開設的創新課程有:①機電產品創意設計80 學時，2 學分;②產品數字化設計制造80 學時，2 學分;③機電模型搭建與控制80 學時，2 學分;④測控儀器、智能小車開發80 學時，2 學分。TRIZ理論機械創新設計工程訓練教程，在我校認識實習、公選課和創新課程中普遍使用［3］。對于一個工程問題，當學生無法直接找到對應解時，可以先將此問題轉換并表達為一個TRIZ 的問題。然后利用TRIZ體系中的理論和工具獲得TRIZ 的通用解，最后將通用解轉化為具體問題的特解，并在工程問題中加以實現，從而解決發明問題。

課程組老師在教學實踐中，將產品創新的核心即產生新的工作原理過程具體化，并提出了規則、算法與發明原理指導學生在實踐中創新。

基于TRIZ 理論的慧魚機器人創意設計公選課，在對機械類專業學生開課時，教師首先要培養學生的創意，通過對TRIZ 中40 個發明原理的講解，布置學生動手搭建一個三自由度機械手，引導學生使用第3 個發明原理——局部質量，深刻認識局部質量含義的三層描述，表1 是通過對機械手需求功能分析，從發明原理中激發出的創意。

表1 三軸聯動工業機器人的發明原理

為實現機械手堆垛的功能，通過直線軌跡、圓弧軌跡的分析，引用了電氣機械技術，采用電子方式測量路經，由信號根據實際需要對控制對象進行編程，自動實行空間任意位置的定位，通過ROBOPro 圖形化編程［4］，控制運動軌跡，模型的演示最終實現機械手垂直或圓弧面堆垛。學生經過機器人技術公選課的學習，培養了創新能力。

2.2 TRIZ 中的S 曲線和進化定律在創新課程中的應用

對非機類專業(醫學檢驗、光信息等專業)學生開設創新課程，學生不僅要完成公選課的題目，還要增加探索機器人和仿生機器人的內容，例如六足行走機器人，它在TRIZ 進化模塊的S 曲線中處于成長期，仿生技術可從結構上的進化模式與進化路線引導學生盡快發現新的核心技術，向理想解方向進化。根據TRIZ 中組成系統的完整性定律:一個完整系統必須由四部分組成:能源裝置、傳動部件、執行機構、控制裝置，學生根據圖1 的進化定律一，迅速有了自已的創意，設計的六足行走機器人的核心技術包括:能源裝置采用直線電機、傳動部件采用兩組定軸輪系，每組輪系由5 個齒數為30 的齒輪嚙合、執行機構的六只腳分別使用曲柄搖桿機構，模擬昆蟲的行走方式“三步態”，就是其中三條腿(一側的前、后腿和另一側的中間腿)總是同時離地，接觸地面的三條腿形成穩定的三角形結構?？刂撇捎肦OBO控制器、ROBOPro 圖形化程序，根據需要控制脈沖信號，實現自動行走的姿態。

由于公選課、創新課程的學習，學生在課外實踐中得到了理論在實踐中應用的親身經歷，掌握了機械創新設計和開發新產品的基本方法，展示了自已的創新作品。

圖1 技術系統組成

從機械、電氣和計算機多學科交叉融合工程技術中，TRIZ 理論對學生進行了科技知識的啟蒙，學生學到了仿生技術、傳感技術、計算機技術以及機器人技術等，通過創造性思維訓練提升了創造力，為卓越工程師必須具備的工程素質奠定了基礎。

2.3 TRIZ 推薦的效應在畢業設計中的應用

畢業設計(論文)是高校人才培養方案的重要組成部分，是培養學生綜合運用專業知識、理論和技能，分析解決實際問題和養成初步科學研究能力的一個重要環節。以飼料業為例，對飼料混合均勻度的測量方法有很多，但尚無統一的標準［5］，我國希望能在混合機法規成為“行業標準”之前，確定一種最佳測試方法。教師在指導模具專業學生畢業設計時，用TRIZ 中效應模塊的單一效應模式實現需求功能，指導學生應用韋森堡效應傳遞切向、法向應力，由于攪拌混合物有爬桿效應，只需對已有單螺帶、雙螺帶攪拌顆粒進行虛擬分析，尋找一種新型螺帶，不必進行復雜機構的設計。學生正確的定義問題后，可沿著混合原理的方向去尋找理想解，見圖2。借助Matlab/Pro-E 建立螺帶物理模型，分析虛擬混合機不同優化方案的混合效果，優選出左右內外反螺旋雙螺帶方案逼近了理想解。根據理想解加強對一種、多種飼料混合均勻度測量準確度的監控。由于選題聯系生產科研實際，以TRIZ 推薦效應設計的方案具有創新性，在準確的論點上進行分析論證，提高了綜合運用能力和新產品設計能力。

圖2 基于TRIZ 的解搜索策略示意圖

3 建立和完善滿足機械類專業“卓越計劃”要求的考核與評價標準

機械學科與其他學科的顯著區別在于它的實踐性、集成性和創新性［6］。但是機械學科分許多子學科，因為學生所學專業不同，所以對他們的要求側重點也不同，圖3 是我校近三年部分實驗、實踐性教學的統計圖，其中對全校機械類、近機類、非機類專業必修的機械原理及設計實驗有1 學分;對機械類學生進行UG 培訓發放美國微軟公司證書，作為數控技術、逆向工程的先期訓練;對大學全專業大二的學生開設機器人技術的認識實習和公選課，作為學生參加全國大學生各類大賽的先期訓練;對機械類、近機類學生開設的激光打標實踐，使學生掌握TRIZ的第七條進化路線，“由宏觀系統向微觀系統進化”，了解激光加工解決對物體基本粒子狀的精密加工，是先進制造技術的最新狀態，正處于成長期。

圖3 2011-2013 年江蘇大學機械原理及設計實驗、實踐性教學統計

綜合性大學培養卓越工程師要設立正確的評價體系，將學生在課內教學、課外實驗、實踐所獲的學分、參加校級、省部級、國家級創新大賽并獲獎，在畢業設計環節，開展大學生科研活動，將發表論文、申報專利等方面取得的成果、畢業設計論文作為滿足“卓越計劃”創新要求的主要考核與評價指標。表2是我校近三年實行TRIZ 理論教學現狀評分標準。學生只要滿足分類中的1、2、3 項或1、2、4 項，就可獲得卓越工程師所需的創新學分，當學生通過三年校內學習和一年企業頂崗實習，修完本科學分，達到美國《華盛頓協議》提出的工程專業教育標準和工程師職業能力標準，學校應發放通過工程教育專業認證的資格證書。

TRIZ 理論作為大學機械類專業的必修課，在課堂教學中根據各個專業的培養目標，將TRIZ 方法的普及、軟件應用和教學實踐作為教學活動的切人點，在機械設計、機械原理、工程圖學、現代機械設計方法等課程中，通過在傳統課程設計內容上增加創新設計內容，而這些課程設計的實踐課程采用UG、ADAMS、CATIA、SolidEdge、Solidworks、ANSYS 等軟件培訓、單片機培訓、機器人培訓等眾多方式，培養學生在實踐過程中正確對待技術系統中存在的沖突和發明問題，提出創新性解決方案，其知識級別達到2 級以上。同時TRIZ 作為創新工具，在機械CAD/CAM、逆向工程、數字化設計與制造、機械設計基礎、機械工程基礎、精密機械設計、機械制造基礎、材料成形學等課程教學中，可以用一個原理或一個方法舉出不同的工程實例，甚至相反的例子，使學生的思維更活躍。也可以在用傳統方法分析一個案例后，利用TRIZ 理論或CAI 技術進行再分析，使學生的創新意識得到加強，同時在學習中申請獲取較多的國家發明專利和實用新型專利。

表2 TRIZ 理論教學現狀

4 結語

卓越工程師教育培養計劃以創新教育為理念，課堂教學、實驗教學和實踐性教學三環節應根據各個專業的培養目標，形成新的理論教學、實驗、實踐教學環節相融合的模塊化教學模式。TRIZ 理論機械創新設計為培養卓越工程師的必修課，慧魚機器人創意設計公選課和創新課程則是工程方案實現的最佳載體，在機械設計、機械原理、工程圖學、機械制造基礎等核心課程中，通過在傳統課程設計內容上增加創新設計內容，有效培養學生的工程實踐能力和創新能力，同時在軟件培訓、企業頂崗實習與畢業設計中注重行業工程標準與創新，使學生成為具備實際工程背景的應用型創新人才。

［1］蒯蘇蘇，馬履中.TRIZ 理論機械創新設計工程訓練教程［M］.北京:北京大學出版社，2011.

［2］憻潤華.TRIZ 及應用——技術創新過程與方法［M］.北京:高等教育出版社，2010.

［3］余江鴻.培養機械類工程人才創新能力的思考［J］.中國科教創新導刊，2012(11):25.

［4］蒯蘇蘇，陳寒松，孫明權，等.慧魚智能化立體旋轉停車庫的創新設計［J］.機電工程技術，2013(8):81-85.

［5］朱 宏.新型臥式雙螺帶混合機設計［D］.鎮江:江蘇大學，2012.

［6］沈豫浙，王成軍，張 瑞.機械專業卓越工程師校企聯合培養模式構建研究［J］.技術與創新管理，2013(3):267-271，280.