基于TRIZ理論的工作坊模式在食品機械設計教學中的應用初探

（滁州學院生物與食品工程學院，安徽滁州 239000）

食品機械設計是食品科學與工程專業的核心內容，隨著食品工業對機械設備自動化、先進性、精密性要求的不斷提高，需要更多的專業人才對食品機械進行改造或再創造以符合靈活多變的市場需求。日常教學中，對于食品機械設計多采用講解和多媒體演示等方式，幫助學生熟悉現有機械與設備的構造及應用，但對如何啟發學生產生改造性或突破性的創新想法并無顯著效果。近年來我們在教學中嘗試應用TRIZ理論，邀請校外行業專家一起采用工作坊教學模式，尋找一種有效培養學生創新思維和創新能力的教學方法，使學生能夠主動應用創新理論解決食品機械設計問題。

一 基于TRIZ理論的工作坊模式教學思路

TRIZ理論是由前蘇聯發明家阿奇舒勒通過對近250萬份高質量發明專利分析、歸納、匯總、重組后，提出的一種問題解決理論，可應用于工程技術、醫學、教學、管理等領域。[1]TRIZ理論是目前唯一能夠提供解決方案的工具包，特別是在思路萌發和問題解決的環節，能夠有效幫助研究者產生創新理念從而得到解決方案。Gordon等認為機械產品創新設想產生在模糊前端階段，將TRIZ理論應用于模糊前端階段，構建出各類設想模型，最終可得到先進性好、可行性高的解決方案，從而為機械設計產品的創新實現奠定有力的基礎。[2]

“工作坊”概念是由美國學者勞倫斯·哈普林（Lawence Harplin）率先提出，自90年代傳入我國后，因其互動性強、開放度高、易激發創新方案等特點成為高校課程教學爭相嘗試的教學手段。[3]但目前在應用型本科院校食品機械設計類課程教學上的實際運用案例還很少。工作坊模式是將十余名學生組成一個團隊，每個團隊在主持人（高校教師、企業專家等）的引導下，通過資料搜集、頭腦風暴、小組討論、組間競爭等方式共同探討某個話題，以得到多個有效的產品或設計方案。

食品機械設計創新一般通過創新理念設計、制造、商業化三個階段實現，而創新理念設計又是機械產品創新的核心階段。[4]因此，應用TRIZ理論訓練學生的創新思維，采用工作坊教學模式給予不同學生團隊任務目標，并邀請主題相關的企業專家共同指導學生完善設計方案，最終旨在培養創新思維活躍、問題解決能力卓越、團隊協作能力優秀的應用型食品工程創新人才。

二 基于TRIZ理論的工作坊模式教學設計

（一）教學內容設計

以食品機械設計中殺菌設備設計為例，食品工業中常見殺菌設備表面均有密封件，測量殺菌鍋內樣品溫度的探針需從密封件中通入，由此會影響密封件的密封性，時有蒸汽泄露現象成為安全隱患。本研究以“改善滅菌鍋密封件的密封性”為例，邀請企業食品裝備專家共同指導各個學生工作坊應用TRIZ理論對密封件系統進行分析，擬得到可行性高、安全性強的密封件改造方案。

（二）校企雙師配置及管理

1.企業專家配置

針對殺菌設備改造，可邀請知名殺菌設備制造企業的資深工程師。企業資深工程師一直從事設備的研發工作，能給予學生最貼近市場的實戰指導。筆者所在食品學院長期與滁州及周邊企業保持良好互動關系，因此可根據課程內容邀請對應的企業專家開展教學活動。

2.校企雙師管理

為保證教學效果，高校教師需提前與企業專家溝通謀劃，以發揮最大作用。具體注意事項如下：

一是課前籌劃。根據課程主題，高校教師與企業專家共同設計教學內容，使教學內容銜接自然、避免重復，科學有序地分配學時。

二是課上指導。各個學生工作坊團隊開展思考與討論時，企業專家和高校教師均要結合自身知識體系與經驗給予學生啟發性的指導，而不要直接給出問題答案。筆者（周頔）通過國內創新方法研究會的培訓與考核已獲得創新工程師二級資質，對TRIZ理論有一定的應用經驗，因此我們將側重指導學生對TRIZ理論的理解與掌握；企業專家將根據多年市場實戰經驗側重對學生所得方案可行性、應用性、市場化的把握。此外，校企雙師要相互配合，把控課程節奏，共同啟發學生的創新思維，并幫助學生盡可能地完善產品。

三是評價環節。高校教師從方案的創新性、技術性、完整性等方面給予客觀評價，企業專家從方案的市場化、可行性、合規性等方面給予客觀評價，也可將學生產品與市場優秀成熟產品進行對比評價。

（三）教學方式的具體設計

針對“改善滅菌鍋密封件的密封性”這個問題，校企雙師將指導各個學生工作坊學習，并掌握TRIZ理論中最常用的裁剪分析法和物場分析法的邏輯思維以及基本方法，后由學生團隊針對問題提出改善方案。具體教學方式見表1。

表1 教學方式簡表

三 基于TRIZ理論的工作坊模式教學效果

（一）有效激發創新思維，顯著提升學生綜合素質

基于TRIZ理論，各個學生工作坊團隊在企業專家與高校教師的共同指導下開展了主動學習、問題討論等一系列學習活動，最終可得到數種方案。此外，各個工作坊成員在整個學習活動過程中的語言表達、團隊協作、溝通交流、匯報答辯等能力均得到不同程度的提高，有效契合了企業對應用型高校本科生綜合素質的要求。現將學生得到的代表性改善方案輯錄如下：

1.裁剪分析法的改善方案

圖1展示的是學生團隊分析得到的滅菌鍋密封件的各個組件及其功能圖。系統中的方矩圖框代表組件，實線箭頭代表組件之間有益作用的方向，虛線箭頭代表組件之間有害作用的方向，箭頭上的文字代表組件與組件之間的作用關系。根據系統分析的結果，對價值低、功能類似、具有害功能或離系統作用對象最遠僅提供輔助功能的組件進行裁剪，用叉型符號標注。

圖1 密封件系統裁剪前組件模型圖

通過對圖1蒸汽滅菌鍋密封件系統裁剪分析，發現該系統中可將大螺帽蓋、大螺帽身、螺栓、內部螺帽均裁剪掉，四孔橡膠圈和空心橡膠圈實現自我壓緊，二者相連阻隔水蒸氣實現密封。通過系統裁剪分析后，得到的新方案為將原有密封件改裝為新密封件，其形狀上設計為中間有兩層圓片狀吸盤式橡膠墊、上下為中心有孔的圓柱形橡膠塞，并使用時上層圓墊用耐高溫密封膠粘結在滅菌鍋面上，下層圓墊置于滅菌鍋內部，緊貼鍋曲面，雙重保障塞子噴出。材質上，選取耐高溫、有熱脹冷縮功能的材料，更易于塞緊洞口。

2.物場分析法的改善方案

依據物場分析法對密封件密封性不足的問題進行解決，第一，建立原始物場模型，根據因果分析發現四孔橡膠圈處密封性不足的原因之一：孔隙的存在使水蒸氣有泄露的路徑，具體如圖2-(A)所示；第二，通過查找76個標準解發現“引入改進的S1來消除有害作用”適用于解決問題，即新增一個空心橡膠圈，外徑和四孔橡膠圈底部直徑相同、內徑能遮住四孔橡膠圈一半的空隙，從而減少蒸汽的暢通，達到雙重密封的效果；第三，得到該項目解決方案的物場模型，具體見圖2-(B)所示。

圖2 物場模型圖

（二）創新設計產品為導向，助力學生競賽斬獲佳績

我們自2017年開始嘗試新的教學模式，基于課程內容設定不同的設計任務，指導學生課上形成設計方案、課下實踐完善方案。我們積極指導食品專業學生將最終設計方案參加專業創新競賽，兩年間學生團隊體現出的熱情與成果超出預期（見表2）。其中我們帶領的一支設備設計類產品代表學校參加2018年安徽省互“聯網+”大學生創新創業大賽，首次突破創意組金獎。

表2 指導學生參與競賽獲獎情況

四 結語

食品科學與工程專業注重工程知識與能力的培養，要求學生具備很強的工程設計能力、實操能力和綜合運用知識能力。食品機械設計作為該專業核心內容之一，其設計理念及運行特點直接影響食品加工的各個環節。創新是食品機械設計的靈魂，而大部分學生很少真正接觸食品機械，因此對食品機械的整體感知力較差、對機械設計優化的想象力不多。本文以改善密封件密封性為例，通過校企雙師共同指導本科生應用TRIZ理論中經典方法得到了創新性解決方案，對增強學生的創新意識和創新能力起到了顯著作用。此外，課后注重孵化學生的創意產品，最終獲得了超出預期的理想效果。學生在掌握TRIZ理論中幾種方法的要素后，面對未來遇到的各種食品工程技術問題，可獨立找到一個或多個問題解決方案，有助于本科生真正成為應用型工程創新人才。