TRIZ機械創新設計方法的教學軟件設計

邊義祥 丁 淵

（揚州大學 機械工程學院，揚州 225127）

TRIZ機械創新設計方法的教學軟件設計

邊義祥 丁 淵

（揚州大學 機械工程學院，揚州 225127）

TRIZ創新理論和創新方法是機械創新設計本科教程的重要組成部分。為了提高教學效率，將TRIZ理論中的39個工程參數、40個發明原理和創新問題的求解過程編成計算機教學軟件，主要包括數據初始化模塊、創新對象選擇模塊、技術矛盾解決模塊(TRIZ分析模塊)、解決方案輸出模塊等內容。教學實踐表明，學生使用這一軟件能夠較快地掌握TRIZ創新理論和方法。

機械創新設計 TRIZ 創新方法 教學軟件

創新是人類文明進步的原始動力，是技術進步、經濟發展的原動機。在人類發展過程中，創新起到了決定性作用。近年來，我國的機械產業取得了長足發展。但是，和世界發達國建相比，還有很大差距。利用機械創新設計，一方面可以促進我國機械產業更快發展；另一方面，也能快速提升我國的設計能力，縮短和發達國家的差距。機械創新設計是指充分發揮機械設計人員的創造性思維，利用原有的機械及其他學科的基礎知識，進行具有創新性的構思，設計出具有實用性、創造性以及新穎性的機構或機械產品。在大學階段，必須在大學本科生的課程學習過程中，加強其機械創新設計能力的培養和鍛煉，使學生畢業時能夠具有基本的機械創新設計基礎知識和一定的機械創新設計能力，以適應未來的機械創新設計工作。

在《機械創新設計》的課堂教學過程中，教材中涉及的機械創新設計方法較多。但是，大部分創新設計方法的教學可操作性不強，無法對學生進行切實可行的實際訓練，教學效果也不太理想。針對這一問題，將國際上通用的TRIZ創新理論和創新設計方法編成計算機軟件，可以針對某一具體的機械設計問題，通過該軟件對學生進行機械創新設計訓練[1]。這種教學方式更為直觀，學生參與意識較強，教學效率和教學效果較好[2-3]。現有的商業化TRIZ創新設計軟件，價格較為昂貴，且如果要能熟練運用，需要較長時間的專業培訓，不太適合普通本科機械專業的教學使用[4]。

本文在多年TRIZ創新設計教學實踐的基礎上，運用計算機技術，將TRIZ創新方法的基本內容編寫成一個創新設計教學軟件，并應用于機械設計專業的機械創新設計教學中，獲得了良好的教學效果。

1 TRIZ理論

TRIZ是“發明問題解決理論”的俄文詞頭縮寫，全稱為Theory of Inventive Problems Solving，是前蘇聯著名科學家Genrich S. Altshuller領導的專門研究機構，在分析當時世界近250萬件具有較高水平的發明專利的基礎上，綜合多個學科領域的科學原理和科學法則，提出的一套有關創新發明的理論體系。該理論揭示了不同學科的科研人員在進行創新發明時，都應該遵循的普遍的客觀規律和方法[5]。

TRIZ理論認為，科研人員在不同領域的創新活動中所用到的原理和方法并不多。不同時期、不同領域的創造發明，可以反復利用相同的基本原理。來自數學、化學、物理以及不同的工程領域的基本原理，經過融合后形成新的創新原理，并可以被反復應用于不同領域的創造發明。在一個科學領域中發生在創新設計中的沖突以及此沖突的解決原理，也可以在其他科學領域中稍加改變后加以應用。在某一個科學領域中發現的新原理、技術系統的發展模式，在不同的科學領域可能交替出現。解決某一領域的具體創新設計的科學原理，也可能是屬于其他領域的科學原理。

TRIZ理論和創新方法，是一套具有系統性、基于科學知識的創新方法體系，包括創新性思維方式、分析問題的具體工具以及基于科學知識的解決創新問題的工具等[6]。具體內容包括：技術系統中八大進化原理、最終產生理想解的途徑、40條發明創新原理、39個具體工程參數及由此組成的矛盾矩陣、物理矛盾和四大解決矛盾的分離原理、物-場理論模型分析、創新問題的標準解、發明問題解決算法、所產生的科學效應和基礎知識庫等[7]。

對于具體的創新設計問題，基于TRIZ理論的求解過程，如圖1所示，即首先對具體創新設計中遇到的矛盾問題進行詳細分析，將已知的基礎條件、受到的相關約束和最終要得到的最優解，用TRIZ理論中的39個具體的工程參數表示。這樣就可以將具體的創新設計問題轉化成TRIZ理論中的標準問題。然后，再運用TRIZ理論中的40個發明原理求解這個標準問題，得到這一問題的標準解。最后，再運用這一科學領域的基礎知識、相關原理和知識，將標準解轉化成針對這一具體創新設計問題的解決方案，從而得到最終的設計方案。

圖1 基于TRIZ理論的求解過程

2 機械創新設計軟件設計

將TRIZ理論和信息技術相結合，用計算機軟件實現TRIZ機械創新設計方法，可以在創新思維思考階段將思維過程用標準化方法和步驟實施。大學生也可以通過此教學軟件，快速掌握TRIZ創新理論和方法。

2.1 系統流程圖

該教學軟件系統的流程圖，如圖2所示。在進入本系統后，首先經過分析，用TRIZ理論的觀點確定問題。因為只有確定了待研究的問題，才能繼續尋找具體的研究對象，發現創新問題的矛盾所在。待研究問題確定后，進入研究對象的選擇模塊。選擇合適的設計對象后，進入TRIZ分析模塊進行設計對象的功能分析，確定研究對象中是否存在矛盾。若存在矛盾，則進入TRIZ理論的發明原理解決模塊，并提出合適的解決方案；若不存在矛盾，則直接提出設計方案。然后，對提出的方案進行評價選擇。如果不滿意，則回到功能分析階段重新開始；若產生的方案可行，則輸出產品創新設計方案。方案的輸出，直接存入問題解決事例庫。

圖2 軟件流場圖

2.2 系統模塊

機械創新設計教學軟件系統由登陸模塊、數據初始化模塊、創新對象選擇模塊、技術矛盾解決模塊（TRIZ分析模塊）、解決方案輸出模塊等組成。其中，登錄模塊主要是用戶權限管理模塊。數據初始化模塊是把需要的數據存儲在數據庫中，以方便程序運行時調用。系統中用到的數據主要是工程參數解釋、發明原理解釋、原理應用實例等。為了數據庫建立以及程序調用的方便，將所需數據表建在同一個“發明原理”數據庫中。

TRIZ分析模塊是系統的另一個重要部分。該模塊主要通過矛盾解決矩陣，分析選擇出來的對象中存在的矛盾，解決創新設計中“如何做”的問題，從而實現機械部件、系統的創新。確定創新設計對象后，進行功能分析并確定優化參數、惡化參數。此時，在軟件系統中，首先選擇相應的參數。如果對有的參數不熟悉，可以進行簡明意義查詢。其次，根據矛盾矩陣表的數據，得出推薦的TRIZ發明原理。該步驟也可以進行發明原理的意義查詢。再次，可以看到相應發明原理的應用實例，從中得到啟發。最后是一些已經解決了的問題的紀錄，可以查詢、修改及刪除，并且可以將剛解決問題的新記錄添加到數據庫。

技術矛盾解決模塊可以與創新對象選擇模塊組合使用，也可以單獨使用。對于問題比較復雜、不能清楚確定產品創新研究對象時，需要應用創新對象選擇模塊，為產品創新方案設計提供明確的產品創新研究對象。而當問題比較簡單、研究對象明確時，為縮短產品創新設計的時間，可以跳過創新對象選擇模塊，直接進行產品創新方案設計。最后的方案評價階段，也應用了前面介紹的產品創新方案的評價模型。軟件的運行界面，如圖3所示。

圖3 軟件界面

3 教學效果

機械專業大四的本科生，在學習TRIZ理論的基礎知識后，可以通過本教學軟件的培訓，進行機械創新設計的實際操作。通過近5年的教學實踐來看，機械設計及其自動化專業的本科生，經過本軟件大約1周左右的培訓和訓練，基本能夠掌握TRIZ理論中的主要內容，大部分能夠較熟練地運用本軟件，解決機械創新設計中遇到的一些較為常見的矛盾問題。可見，本教學軟件可以幫助大學生快速掌握TRIZ創新理論和方法，提高學生的機械創新設計能力和獨立工作的能力，培養學生的工程創新意識和工程創新實踐能力。

參考文獻

[1]汪莉.基于創新方法(TRIZ)的河南省高等教育教學改革研究[J].教育教學論壇，2015：156-157.

[2]張明勤，張瑞軍，何芹，等.TRIZ教學體系的探索與實踐[J].山東建筑大學學報，2013，（28）：172-175.

[3]辛明遠，王永.基于TRIZ的計算機輔助創新系統設計[J].黑河學院學報，2011，（2）：9-12.

[4]王莉靜，李建軍，尤洪嶺.培養創新能力的機械設計基礎課程改革[J].教學研究，2012，（35）：81-83.

[5]盧希美，張付英，張青青.基于TRIZ理論和功能分析的產品創新設計[J].機械設計與制造，2010.

[6]陳敏慧，蔣艷萍，呂建秋.TRIZ國內外研究現狀、存在問題及對策研究[J].科技管理研究，2015，（25）：24-27.

[7]陳紅柳，任工昌，魯麒，等.TRIZ和頭腦風暴對創造性思維的促進作用研究[J].機械設計與制造，2013：268-269.

Design of A Teaching Software of Mechanical Innovation Design Based on TRIZ Theory

BIAN Yixiang,DING Yuan
(College of Mechanical Engineering, YangZhou University, Yangzhou 225127)

TRIZ theory and method is an important part of undergraduate teaching of mechanical innovation design. In order to improve the teaching efficiency, the 39 engineering parameters, 40 principles of invention and innovation in the process of solving the problem of TRIZ theory were programmed in a teaching software. The software mainly include data initialization module, innovation object selection module, technical conflict resolution module, i.e. TRIZ analysis module and solution output module.

mechanical innovation, TRIZ, major in mechanical engineering, teaching software