《機械創新設計》課程中TRIZ理論教學的探討

鄧援超　劉小鵬

摘要：培養學生創新能力是《機械創新設計》課程中的重要任務，需要不斷挖掘學生的創新能力。TRIZ使創新技法集成為理論體系。本文將案例教學法用于TRIZ理論的教學實踐，并取得了較好的效果。

關鍵詞：機械創新設計；TRIZ理論；案例教學

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）45-0157-03

創新是一個民族進步的靈魂，是國家興旺發達的不竭動力。因此，當代大學生創新能力的強弱對建設創新型國家起著關鍵性的作用，也就是說對大學生的創新能力提出了更高的要求。培養學生創新能力的途徑有很多種，作為培養創造性人才的探索與嘗試，開設《機械創新設計》課程就是具體途徑之一。

一、創新技法與TRIZ理論的誕生

《機械創新設計》闡明普通人也能搞發明創造，實現產品的概念設計。其內容分為基礎知識篇、理論與方法篇和實例篇。基礎知識篇涵蓋機械創新設計的思維基礎和技術基礎，這是創新者必備的基本業務素質。理論與方法篇包括機構組合原理、機構演化和變異、機械結構創新、仿生原理、逆向工程、系統運動方案創新和TRIZ理論體系。實例篇以工程中的創新實例來說明創新方法的應用。

創新能力源于創新思維。科學的真諦在創造，創造的奧妙在思維，思維的本征體現于想象。人類一直在探索創新能力的提高和培養。迄今為止，世界上總共約有300多種創新技法，如：頭腦風暴法、形態分析法、特性列舉法、缺點列舉法、希望點列舉法、聯想類比法、反向求索法、組合創新法、廢缺顛倒法、5W1H法、檢核表法、和田12法、魔球法以及特爾斐設想法等。顯然，作為一種開放的思維形式，今后還會有更多的新技法問世。但這些技法看上去沒有直接的邏輯聯系，就像多而雜的五彩萬花筒，令人眼花繚亂，不利于學習和掌握；且這些技法在實際表現中并不盡如人意，有時會達不到預期的目的。以頭腦風暴法為例，它實質上是一種試錯法，所提供的管理模式并不能確保成功，所產生的效果也要受到團隊成員個性和環境的影響。因此，這些技法被稱為傳統的創新方法。

工業化社會以來，產生了無數的發明創造，設計制造了種類繁多的機電裝備。如同門捷列夫找到化學元素間聯系與區別的通用規律，大膽猜想而創生化學元素周期表那樣，這些發明創造能否具有可以遵循的通用規律呢？這個問題的解決，其本身就是一個重大的創新。G.S.Ahshuller做到了，他發現進行發明創新、解決技術難題時，是有特定的科學方法和規律的。如果掌握了這些規律，就能主動地進行產品設計并能預測產品的未來發展趨勢。由此，G.S.Ahshuller畢其一生精力，創立了現代創新理論，即TRIZ理論。

二、TRIZ理論體系的主干內容

（一）TRIZ的理論前提

描述型設計過程模型認為，設計過程可分為問題分析、概念設計、技術設計、詳細設計4個階段。其中概念設計是構思及選擇產品工作原理的階段，對于已有產品的改進設計，主要是改進部分工作原理；對于新設計，要構思與選擇全新的工作原理。因此，產品創新的核心是概念設計。TRIZ理論就是用來進行概念設計的。TRIZ的理論前提是技術系統進化原理和沖突解決原理。技術系統進化原理表述為：產品或技術系統如同生物系統，是持續進化的，且進化有規律可循。沖突解決原理表述為：解決沖突是產品或技術系統進化的推動力。進化速度隨技術系統一般沖突的解決而降低，欲使其產生突變，只能是解決阻礙其進化的深層次沖突。TRIZ理論的實用性在于生產實踐中遇到的工程沖突常常重復出現，且徹底解決工程沖突的發明原理易于掌握。實踐表明，工程人員所遇到的90%的問題都在以往的其他場合解決過，若能利用以往的解決辦法，則研發將更加有效。問題的焦點在于抽取和歸納沖突和與其對應的發明原理。G.S.Ahshuller已證明發明可系統化地導出，而不必源自嘗試錯誤。

（二）TRIZ的理論體系

TRIZ理論體系由術語、工具和算法組成。其術語有技術系統、功能、矛盾、理想度、資源、效應等。作為用于創新的工具，其構成有創新規律、創新方法和創新思維。創新的算法則有九步法、ARIZ算法和自己的算法等。其中創新規律的內容是技術系統的8大進化法則和S曲線。創新方法包括物理沖突（主要采用4條分離方法來解決）、技術沖突（主要采用39個技術特性參數描述的沖突解決矩陣）、40條發明原理、物場模型和76條標準解法。后來還添加了根本原因分析，功能分析和知識庫。創新思維則含有金魚法、小人法、九屏幕法和STC算子法等。

（三）TRIZ理論的本科教學內容

在本科教學中，只限于討論TRIZ理論的主要內容，基礎篇包括技術進化系統法則、技術沖突與物理沖突、分離方法、40條發明原理、沖突解決矩陣。提高篇包括物質—場分析、理想性觀念、標準解法、資源分析等。

三、案例教學

掌握TRIZ創新方法，從要求上講需要學習者有豐富的工程背景，這樣才能快速有效地掌握TRIZ的創新原理和實用技巧。但本科教學中講授TRIZ理論，本科生實踐知識和感性認識都比較貧乏，要使學生掌握TRIZ創新方法，需要大量地采用了案例教學。案例教學能加強學生對TRIZ理論的理解，活躍學生的評論、分析、推理的思維，提高其應用能力。將TRIZ理論與案例教學結合，對培養創新觀念，活化創新方法有著事半功倍的效果。

傳統教學法中教師是教學的主導，學生是教學的主體。由于教師教學思維的暗示，容易使學生產生被動的慣性思維，導致學生死記硬背，思維不開放而造成不利于創新。案例教學中，教師只是粗線條地概述理論要點，主要是提出案例，然后學生開始研討，使學生成為教學中的主導與主體，發揮其潛在的創新能力。

案例教學法的教學過程可以分為四個步驟：（1）教師講述某一知識點后，引入案例并介紹有關背景知識。（2）學生討論并構建所研究問題的框架，制定案例的研討路線。（3）收集、匯總所有有關信息，進行分析處理。（4）形成研究結果，并報告自己的研究成果及收獲。endprint

對于某些較難的或跨學科的案例，可以課后詳細研究，鼓勵學生間的合作，詳細收集相關專業的資料，留作下一次課的報告結果，這種方法能彌補學生實踐知識的不夠。

課堂案例1：技術系統進化法則2——能量傳遞法則。

其理論知識點為：技術系統實現功能的必要條件。（1）能量必須能夠從能量源流向技術系統的所有元件。（2）技術系統應該沿著使能量流動路徑縮短的方向進化，以減少能量損失。（3）如果某個元件接收不到能量，就不能發揮作用，這會影響到技術系統的整體功能。

教師舉出實例：手搖絞肉機替代菜刀。

背景知識：絞肉機的刀片旋轉運動代替了菜刀的垂直運動，能量傳遞路徑縮短，能量損失減少，同時提高了效率。

開展討論，學生自己構建出研究問題的框架：技術系統必須有能量傳遞；自己悟出依照技術系統實現功能的必要條件擬定研討路線；課堂氣氛活躍，在討論中收集、匯總有關信息，自行分析處理；形成各人的案例結果，發言并報告出來，以供深入研討。

教師要做的，只是溫馨提示技術系統實現功能的必要條件有3個，這是可以拓展思維的。于是封閉電梯里不能接收手機來電，蝸桿傳動的搖頭電風扇被鴻運扇淘汰等案例就被學生列舉出來了。

課堂案例2：技術系統進化法則4——提高理想度法則。

其理論知識點為：提高理想度的途徑。（1）提高有益的參數。（2）降低有害的參數。（3）提高有益參數的同時降低有害參數。

提高理想度法則是所有進化法則的方向。最理想的技術系統（即最終理想解IFR）就是作為物理實體（并不存在），但卻能夠實現所有必要的功能。

教師舉出實例：手機的進化。第一部手機于1973年誕生，重800g，功能僅為電話通信。而現代手機僅重數十克，功能可超過100種，包括通話、游戲、MP3、照相等。

背景知識：功能的增加必須保證提高有益參數，如屏幕變大、鍵盤變虛擬等。同時還要降低有害參數，如體積和重量不得擴大反而要降低等。這樣就提高了手機系統的理想度。

接下來，學生自己構建出研究問題的框架：最理想的技術系統就是作為物理實體（并不存在），但卻能夠實現所有必要的功能。自己領悟出依照提高理想度的途徑擬定研討路線；收集并匯總信息，自行分析。于是不需要油漆的彩色家具，不占據道路和著陸場的運載工具——個人飛行背包，甚至由一生都不長大的寵物狗聯想到草坪上的草不需要修剪，自己始終維持在一個高度，從而不需要制造割草機等案例就被學生列舉出來了。

課堂案例3：常規設計、現代設計與創新設計之比較。

教師給出的背景知識是教材的論述，僅作簡單介紹。學生展開討論，自己構建出研究問題的框架：三大設計各自的內涵和特點以及它們之間的異同；自己擬定研討路線；課后討論并收集匯總信息，自行分析；寫出專業小論文，分組深入研討。

該課程的理論講授階段要求學生完成兩個作業（專業論文），論文中要求有創新作品的案例和自己的理解；實驗綜合階段則是進入學校的創新實驗室觀摩前幾屆同學的創新作品，然后完成一項創新作品的綜合設計。

TRIZ理論的教學對于教師本身也是一個挑戰，它要求教師知識面寬闊，具備終身學習的理念，建立起開放式可擴充的個人知識庫。特別是要不斷開拓自己的思維，為教學提供基礎。這就需要廣泛收集有關創新設計的資料，尤其要研讀關于TRIZ理論的著作，以充實教學。結合教師自己的科研課題，也能歸納提煉上升到理論高度，從而提高自己的創新素養，利于高水平地完成科研課題，也將使課堂教學生動活化。

幾年來的實踐證明，開設《機械創新設計》課程能夠提高學生的創新能力，開拓思路，為參加機械設計制造創新大賽奠定理論基礎。當然，創新能力的培養不是一門課或一次創新大賽就可以解決的，應該把傳授知識、培養能力、提高素質、發展個性特長作為一個有機整體去考慮。培養創新型人才是教育的深刻變革，是一項側重于頂層設計的系統工程，需要在學生成長的各個階段始終貫徹素質教育，著眼于培養創新素質。所以，創新教育應在課程體系改革的大框架下進行。

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基金項目：國家科技部創新方法專項（2012IM021000）

作者簡介：鄧援超（1963-），男，湖北大悟人，碩士研究生，教授，研究方向：機械設計理論與創新設計。endprint