基于TRIZ-CDIO模式的大學物理實驗教學探索與實踐

郭獻章，張淑梅，房瑞東，王 澍，李 俊，徐天運，陳彥夫，吳薛晗

(東北大學 秦皇島分校，河北 秦皇島 066004)

基于TRIZ-CDIO模式的大學物理實驗教學探索與實踐

郭獻章，張淑梅，房瑞東，王 澍，李 俊，徐天運，陳彥夫，吳薛晗

(東北大學 秦皇島分校，河北 秦皇島 066004)

在傳統實驗教學的基礎上，引進了TRIZ創新理論和CDIO工程教學模式，初步形成了TRIZ-CDIO實驗教學模式. 結合創新教學平臺和信息化教學平臺的搭建，該模式增強了大學物理實驗教學的吸引力，并提高了教學效率,拓寬了師生的視野，提升學生的創新創業能力與科研動手能力. 把創新作為有規律可循的系統理論，實現大學物理實驗教學的現代化改革，為實踐“大眾創業，萬眾創新”，進行了有益的探索.

TRIZ-CDIO教學模式；物理實驗；教學改革

科教興國和人才強國是我國堅持實施的國家級戰略，而創新型人才的培養正是其關鍵所在. 大學物理實驗是一門將理論研究和實驗教學巧妙地融合在一起的實踐課，它是理工類學生掌握系統實驗方法和接受實驗技能訓練的起點[1]. 大學物理實驗旨在培養學生的創新能力、實驗能力以及分析并解決問題的能力. 物理科學從來都不是只關注理論的學科，在實踐中的發展與在實驗中的發現是促進物理學發展的動力.

如今國家提出“大眾創業，萬眾創新”的戰略，極大地激發了創新這一“第一動力”，中國“智造”將成為我國制造業的標簽，并為世界所認可. 作為培養專門高級技術人才的高校，其理論與教學的實踐必須為時代服務. 物理實驗教學，既是科學通識教育中的重要一環，也是創新理論與實驗培養中的重要步驟，在培養大學生的創新能力與綜合素質中具有重要的地位[2].

在大學物理實驗教學中，引進了CDIO工程教育模式[3]，消化并吸收此模式的合理內核，可使得實驗教育具體化、可操作、可測量，從而可指導師生的教與學的實踐活動.CDIO體現了系統性、科學性和先進性的統一，代表了當代工程教育的發展趨勢，也是實驗教學改革的成功方向之一[4]. 在培養學生的創新能力方面，引進TRIZ創新理論. 通過對TRIZ理論的學習與實踐，使大學生初步掌握創造性地解決問題的系統理論和方法工具，把偶然的、低層次的創新行為，變成為系統性的、可持續性的創造能力. 把TRIZ理論與CDIO理論結合起來，統一應用于大學物理實驗教學中，稱為“TRIZ-CDIO”的物理實驗教學模式. 重視對學生動手和實驗設計能力的培養，提倡師生在物理實驗的課堂上互相學習、共同提高，并且創造性地解決身邊的科學問題. 該模式以人為導向，因材施教，將創新思維貫徹于物理實驗當中，使學生的實踐素質得到全面提升，如今，教學改革已經初見成效.

1 TRIZ-CDIO實驗教學模式簡介

TRIZ-CDIO實驗教學模式是在TRIZ創新理論和CDIO工程教育模式的基礎上，結合我國大學物理實驗教學的實踐發展而來，本文介紹了TRIZ和CDIO及TRIZ-CDIO實驗教學模式.

1.1CDIO工程教育模式

CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的新成果. CDIO是構思(conceive)、設計(design)、實現(implement)和運作(operate)的英文縮寫. 該教育模式把工科學生所應達到的能力分為以下4個層面，即：工程基礎知識、個人能力、人際團隊能力和工程系統能力. 該模式強調學生學習的主動性、實踐性和系統性，并以產品或工程項目的研發運行實施周期作為學生的學習和培養載體[5]. 從2000年起，麻省理工學院和瑞典皇家工學院等4所大學組成的跨國研究獲得Knut and Alice Wallenberg基金會近2 000萬美元資助，經過4年的探索研究，創立了CDIO工程教育理念，并成立了以 CDIO命名的國際合作組織，全球有200多所著名的大學已經成為該組織的成員[6]. 它的12條標準對整個模式的實施和檢驗進行了系統、全面地指引，使得工程教育改革具體化、可操作、可測量，并對學生和教師都具有重要指導意義. CDIO體現了系統性、科學性和先進性的統一，代表了當代工程教育的發展趨勢.

我國高等工科教育的迫切任務是盡快培養與國際接軌的中國工程師，然而我國工科的教育實踐中還存在不少問題，如重理論輕實踐，強調個人學術能力而忽視團隊協作精神，重視知識學習而輕視開拓創新的培養. Mc. Kinsey Global Institute 在 2005 年10月發表的報告稱，2005 年中國畢業的約 60 萬工程技術人才中適合在國際化公司工作的少于 10%. 究其原因，他認為“中國教育系統偏理論，中國學生幾乎沒有受到團隊工作的實際訓練，相比之下，歐洲和北美學生多以團隊方式解決實際問題[7].”

因此，在我國的教學改革中，把CDIO的理念貫穿到實踐教學環節中，是一種必然趨勢.

1.2TRIZ理論簡介

TRIZ是拉丁文Teoriya resheniya izobreatatelskikh zadatch的詞頭縮寫，由俄文теории решения изобрет-ательских задач 轉化 而來. 其英文全稱是Theory of the solution of inventive problems，縮寫為TSIP，譯成漢語為“解決有關發明問題的理論”. TRIZ理論是阿奇舒勒(G. S. Altshuller)在1946年創立的， 阿奇舒勒也被尊稱為TRIZ之父[8]. TRIZ理論成功地揭示了創造發明的內在規律和原理，致力于理清系統中的矛盾. 基于技術的發展演化規律來研究整個設計與開發過程，并且完全解決矛盾，獲得最終的理想解，使得發明創造不再是隨機的行為. 各國實踐證明，運用TRIZ理論，可以加快創造發明的進程，能得到高質量的創新產品. 它能夠幫助我們系統地分析問題情境，快速發現問題本質或者矛盾，準確確定問題探索方向，突破思維障礙，打破思維定勢，以新的視角來分析問題. TRIZ理論引導我們進行系統化的思考，根據技術進化有規律地預測未來發展趨勢，幫助開發富有競爭力的新產品[1].

把TRIZ創新理論用于教學，可以打破發明創造的神秘面紗，使創新創造有規律可循，幫助學生訓練創新思維與創新能力，進而在專業知識的基礎上，做出高水平的創新成果.

1.3TRIZ-CDIO物理實驗教學模式

CDIO是一種先進的工程教育模式，既具有歐美傳統的工程教學理念，也創造性地提出了新評判標準. 它強調把學生能力的培養貫穿在項目或產品的整個研發與實施周期中，并把學生的團隊協作精神與能力的培養提到相當的高度[9]. 該模式的引用不僅可以培養學生的工程能力，還可以提高教學人員的技能水平. 通過借鑒其優點，并將其運用于物理實驗教學之中，使得學生能力的培養與訓練具體化、可操作、可測量. 同時針對學生創新能力不強，缺乏系統性創新培訓的現狀，引進TRIZ創新理論，不再一味地進行腦力激蕩，強調發明創造可依一定的程序與步驟進行. 通過項目把想法轉化成創新成果，在其過程中，運用物理實驗技能和相關學科知識，使學生得到CDIO所規定的4個層面的能力訓練[10]. 同時自覺按照TRIZ創新理論的指導，從而得到創新的理論與實踐的訓練，這就是TRIZ-CDIO物理實驗教學模式.

2 TRIZ-CDIO物理實驗教學模式的應用步驟

TRIZ-CDIO物理實驗教學模式是系統教學改革項目，貫穿于物理實驗教學的始終. 它要求依照TRIZ創新理論和CDIO工程教育模式進行教學設計并輔之以配套的教材和教案. 在教學實踐中，師生共同設計適合的創新項目，在項目的完成中，培養學生的主動參與精神、創新精神與團隊協同能力. 同時針對每個項目，設計可量化考核的能力評價標準，從而完成對學生的能力考核. 項目結束后，通過參與的師生的反饋，對TRIZ-CDIO物理實驗教學模式進行相應的修正，使之不斷地完善，同時具有向其他實踐教學領域進行拓展的能力.

2.1在教材、教案與教學過程的設計之中貫徹TRIZ-CDIO理論與精神

TRIZ創新理論強調發明創造是有規律可循的，但高水平的發明創造是基于物理、化學、幾何學等工程學原理構建的知識庫而提出的問題解決方案. 這與CDIO理論所強調的工程基礎知識能力是一致的，也與現行教材中強調的基礎知識培養相一致[11]. 但是，TRIZ理論提供了創新思維與創新能力培養的方法，而CDIO則提供了工程人才培養的可操作、可評價的流程，把兩者有機地結合在一起，要求教材應該兼顧知識性與創新性. 力求用創新項目的主線，把基礎實驗串起來，讓學生在學習過程中，既成為實驗的設計者、執行者和評價者，又成為創新項目的發起者、創造者和使用者. 前者要體現在CDIO的培養模式，后者要為培養學生的系統創新創造能力提供原理的準備與技術的支持. 限于篇幅，此處不再詳述教材詳情.

移栽機的核心部件是栽植機構，是保證秧苗栽植質量、提高工作效率的重要部件，它反映了移栽機的發展過程和進步水平。本文研究一種新型懸杯式移栽機的栽植機構作為栽植系統的研究基礎，針對其在進行移栽作業時存在的一些問題，如移栽質量不穩定和缽苗直立度不能完全達到農業技術要求等，對栽植機構進行分析和改進，以尋求最優的結構形式和工作參數。

2.2師生共同設計創新項目，在項目的研發與實施中實踐TRIZ-CDIO理論

在設計項目時，要考慮到學生的知識與能力水平，還要考慮到成果的新穎性、趣味性與實用性，同時又要兼顧其與物理實驗的相關性. 運用TRIZ創新理論原理設計問題解決的步驟，利用CDIO教學模式培養學生在問題解決過程4個層面的能力. 通過創新性項目的完成，充實學生的知識庫，提高工科學生的綜合能力，培養其創新創造能力.

2.3實驗創新項目結束，用TRIZ-CDIO的方法對教師的教與學生的學進行能力評價與反饋

評價與反饋是TRIZ-CDIO物理實驗教學模式的重要環節. 該模式不僅要求教師有深厚的基礎知識，還要深刻理解TRIZ理論與CDIO方法，同時還要向國內外的同行學習TRIZ和CDIO新的理論發展與新的成果[12]. 在創新項目的發掘與設計時，要求能夠充分利用學生的興趣點，發揮其能動性，又要求教師能夠與學生一起對未知領域鼓起學習的勇氣. 因此，評價與反饋不僅是對學生，也是對教師；不僅是對項目，也是對方法. 所以在項目結束之后，需要進行認真的總結與反饋. 通過實驗創新項目的成果反饋，不斷完善TRIZ-CDIO物理實驗教學模式，并尋求在其他工程實踐教學中的拓展應用.

3 TRIZ-CDIO物理實驗教學模式的應用成果及實例分析

運用TRIZ-CDIO理論，實驗中心的師生共同設計并完成了一系列的創新性項目，下面介紹比較成功的項目.

1)除霾新風系列：把室外新鮮空氣凈化后，再輸入室內，除霾的同時，增加了室內氧氣的含量，特別適合在中小學教室中安裝. 同時，根據專業不同，給學生分組，分別針對家庭空調改造、中央空調改造、室內生態再造等，再加上對傳感器的改進、對遙控器的改進，就成了系列設計. 這個系列，將來還可以根據科技的進步繼續向下做.

2)高樓逃生系列：針對現在國內高層建筑在發生地震、火災后，電梯失靈，走梯需要時間長，再無其他逃生途徑的現狀而設計的一系列工具，具有很強的實用性. 這個系列也具有可持續創新的特點，受到師生的歡迎.

3)停車架系列：針對目前城市中停車難，但現有的立體停車架造價高、難以推廣的問題，提出了利用汽車自動力上升，利用彈性勢能和重力下降的立體停車架的設計思想，該產品系列安全、簡易廉價，分別針對不同的場地，進行了多種形式的設計，雖然仍停留在專利階段，但應用前景很好.

5)網絡無人值守商店、超市系列：在用戶集中的地方，放置無人值守的售貨終端，其貨物的銷售、配送、進貨、上稅、財務等全部由1臺中心電腦完成. 用戶可以線上、線下訂購，還可以終端取貨，由于采用了專用的銷售柜，可以對魚類和水果等冷鮮食品長時間保鮮. 這種商業模式基本可以替代現在的個體商販和有人值守的超市，是一項行業內革命性的突破.

6)高層建筑噪音污染與防治系列：針對高層建筑中低頻噪音很大，且沒有針對性的解決方案，進行了一系列聲學研究與產品研發.

以上這些系列項目，實際上包含了很多專業，可以吸引不同知識層次的學生和教師來共同創新. 通過TRIZ-CDIO模式進行教學與科研組織，讓不同專業的學生在1個項目的完整實施過程中，得到相應的物理實驗與基礎專業素質兩個方面的訓練.

以下以師生共同制作的聯合型荸薺收割機為例進行研究過程說明[13].

首先，運用TRIZ理論中創造性問題分析方法來解決現實問題. 荸薺易碎，且人工采摘前需要提前放掉農田中的灌溉水，再撥開8～15 cm厚的土層，小心地捏出球莖. 人工采摘勞動強度大，且效率低下. 師生成立團隊，依據CDIO模式研究如何解決這個實際問題. 首先，在構思時，將團隊分為動力組、采摘組、后期處理組、總裝組，有效地將整個項目的難度均分，提升了所有參與人的個人工程能力[14]. 在對所有部分進行整合時，不同專長的組員發揮了自身優勢，在與他人反復交流過程中又提升了整體合作能力. 在設計過程中，運用創造性問題分析方法來解決現實問題. 通過檢索，團隊發現了荸薺收割船，然后，運用部分超越法，團隊發現該產品忽視了地形所帶來的阻礙，而且在采摘完荸薺后無法對坑洼地面進行平整，進而應用抽取法，繼續檢索發現履帶裝置適用于此種復雜地形. 最終采用一物多用法，設計出履帶結合滾筒的新型裝置，巧妙地解決了上述問題，由此設計出了改良的荸薺收割機. 隨后團隊發揚實干精神，在實驗室協力制作出工程機. 通過在不同環境下的測試，改良的荸薺收割機不僅解決了采摘過程中荸薺易碎的問題，又能有效平整洼地.

此次創新過程簡明直觀，由此可以看出在項目實施中，TRIZ法對于發明經驗尚淺的學生提供了可實行的入門方案.

在專利申請成功后，該項目并沒有結束，所有人一起對該工程進行了評析，對項目發展的管理、跨學科專業設計以及整個實施過程等方面進行了評估. 采用TRIZ-CDIO模式后，物理實驗教學的整體能力得到顯著提高，僅筆者帶領的團隊就已經完成了改進的楊氏模量測量儀[15]、基于RC522的公寓智能洗衣機控制器設計[16]、利用WGD-3型組合式多功能光柵光譜儀研究溫度和高濃度溶液對吸光度的影響規律[17]、聯合型荸薺采收機[13]、一種基于水浴和生態循環的室內新風凈化系統以及智能停車管控系統等專利共計23項[18-19].

4 結束語

TRIZ-CDIO實驗教育模式成功地將傳統的學科教育轉變為工程教育和創新教育，即課上給予學生充分的實驗設計自由，課下讓學生在項目實踐中學習必要的知識. 通過發明創造項目的方式，既鍛煉了學生的自學能力、主動參與能力、多學科知識庫的交叉運用能力及團隊協作能力，又將知識和能力轉化成了應用性成果，從而實踐了發明創造的理論，增長了創新的能力與自信. 在師生的共同努力下，這一改革已取得初步成效，學生的創新創業能力得到顯著提升. 值得注意的是，TRIZ-CDIO是全新的教育模式，對教師與學校的要求很高. 讓學生具備的能力，教師必須具備，而創新的前提是不斷地學習與提高[20]. 因此教師的學習不能只局限于自己的研究領域，還要為高水平的發明準備更為完善的知識庫. 學校對于教師的考核、學生的評價體系，要進行相應的改變，為學生創新所提供的教學條件也要相應地改變[21]. 因此，TRIZ-CDIO教育模式要不斷地完善與創新，在成功的基礎上，再在其他教學領域擴展，但不能盲目擴張. 如果在條件不完全具備時縮短設計過程，可能會使這一新的教學模式夭折. 因此，在教學改革中，還有很長的路要走，仍需要進行不斷探索.

[1] 陳中鈞，俞眉孫. 大學物理實驗教學的思考與建議[J]. 實驗技術與管理,2014，31(4):186-188.

[2] 楊少波，馬濤，劉福平. 影響我國大學物理實驗課程教學質量的幾個基本問題[C]//北京高教學會實驗室工作研究會2007年學術研討會論文集. 北京，2007.

[3] 樊娟，張國恒，李小勇，等. CDIO工程教育模式在大學物理設計性實驗中的應用[J]. 物理實驗，2016,36(2)：29-32.

[4] 張勇,李久會. 淺談大學物理實驗教學改革[J]. 遼寧工業大學學報(社會科學版),2015，17(4):138-140.

[5] Guo Jiao， Yan Pei. CDIO-based reform of experiment teaching for computer major[C]// 2010 2nd International Conference on Education Technology and Computer. Shanghai, 2010:V2-184-V2-186.

[6] 顧佩華,沈民奮,李升平,等. 從CDIO到EIP-CDIO——汕頭大學工程教育與人才培養模式探索[J]. 高等工程教育研究,2008(1)：12-20.

[7] 李靜，王祖源. 中美大學物理實驗教學的比較與分析[J]. 中國大學教學，2008(2)：95-96.

[8] 阿奇舒勒. 創新40法：TRIZ創造性解決技術問題的訣竅[M]. 黃玉霖，譯. 成都：西南交通大學出版社，2004.

[9] 邵廣軍,呂平,王娟. CDIO工程教育模式下大學生非專業素質培養研究[J]. 黑龍江高教研究,2011(5):136-138.

[10] Herger L M， Bodarky M. Engaging students with open source technologies and Arduino [C]//Integrated STEM Education Conference (ISEC). Princeton, NJ, 2015:27-32.

[11] 梁瑛娜. 國外工程圖學教育及CDIO理念對我國圖學教育改革的啟迪[J]. 教育教學論壇,2015,(26):65-66.

[12] 徐紅升,張瑞玲,林春杰,等. 基于CDIO的創新型工程人才培養模式研究與實踐[J]. 電腦知識與技術,2015,11(1):111-113.

[13] 陳曉明,郭獻章,柴海斌. 聯合型荸薺采收機. 中國：CN203691944U [P]. 2014-07-09.

[14] Angelic, Valanides N. TPACK in pre-service teacher education: preparing primary education students to teach with technology [C]//Annual Meeting of the American Educational Research Association. New York, 2008.

[15] 郭獻章,張娟霞,吳天師,等. 改進的楊氏模量實驗儀器. 中國：CN202562816U [P]. 2012-11-28.

[16] 湛曉雪,郭獻章,高茂菊,等. 基于RC522的公寓智能洗衣機控制器設計[J]. 物理實驗,2016,36(5):34-38.

[17] 郭獻章,李琛,楊蕾,等. 利用WGD-3型組合式多功能光柵光譜儀研究溫度和高濃度溶液對吸光度的影響規律[J]. 物理實驗,2013,33(9):27-31.

[18] 郭獻章,張娟霞,徐高鵬,等. 一種基于水浴和生態循環的室內新風凈化系統. 中國：CN104990165A [P]. 2015-10-21.

[19] 郝夢藝,王騰蛟,郭獻章. 智能停車管控系統. 中國：CN204904597U [P]. 2015-12-23.

[20] 江亞南. 我國高校管理模式的弊端及解決途徑[J]. 教育教學論壇,2012(17):228-232.

[21] 王云峰，顧成明，鐘瑋. 淺議高校教育改革戰略主題——素質教育[J]. 教育教學論壇，2015(3)：3-4.

PhysicsexperimentteachinginnovationbasedontheTRIZ-CDIOmode

GUO Xian-zhang, ZHANG Shu-mei, FANG Rui-dong, WANG Shu, LI Jun, XU Tian-yun, CHEN Yan-fu, WU Xue-han

(Northeast University at Qinhuangdao, Qinhuangdao 066004, China)

The TRIZ innovation theory and CDIO engineering teaching mode were introduced into physics experiment instruction. Combined with the innovative teaching platform and information platform, the TRIZ-CDIO teaching mode surely enhanced the attraction of the physics experiment teaching, improved the teaching efficiency, broadened the teachers’ and students’ horizons, and enhanced students’ innovative ability of entrepreneurship and scientific ability. All above teaching innovation provided a useful exploration for the practice of “mass entrepreneurship and innovation”.

TRIZ-CDIO teaching mode; physics experiment; teaching innovation

G642.423

B

1005-4642(2017)10-0044-05

[責任編輯：任德香]

2017-03-29

郭獻章(1970-)，男，河北魏縣人，東北大學秦皇島分校實驗教育中心高級實驗師，博士，從事物理實驗教學和工程力學方面的研究.