基于TRIZ 理論的“三維機械設計”課程教學改革＊

張鵬躍，劉爽爽，黃文靜，王紅光

（河北工業職業技術大學智能制造學院，河北 石家莊 050091）

0 引言

“三維機械設計”課程是機械類專業的專業基礎課，是學生掌握三維數字化設計的重要理實一體化教學環節。該課程屬于計算機輔助設計與制造課程，主要教學內容為軟件的基本操作、零件的三維建模、裝配體設計、運動仿真以及工程圖繪制等[1]。常用的三維機械設計軟件有UG、PROE、SolidWorks等，然而在教學中發現，無論使用哪一款建模軟件進行教學，都會出現兩個問題：一是重理論輕實踐，即重點講授基礎建模命令，缺少具體建模過程，學生無法獨立完成零部件的建模；二是缺乏真實工作情境，學生只是針對基礎建模命令或者單獨的模型案例進行訓練，無法形成系統性思維，在日后的工作中難以做到學以致用。

針對教學過程中的問題，國內外學者應用TRIZ 理論做了諸多研究和探索，并提出了相應的改革方式。東北大學秦皇島分校的陳硯、單泉等人，使用TRIZ 技術沖突矩陣理論對機械基礎課程實驗進行教學改革，解決了實驗項目數量和復雜度增加的矛盾，提升了學生的創新能力[2]。天津工業大學尚志武、劉欣、王天琪提出了一種融合TRIZ 創新方法的理論、實踐和素質拓展三位一體的創新能力培養模式，建立了一種覆蓋范圍廣、可操作性強、高效率的理工科大學生創新能力培養模式，推動了理工科大學生創新能力培養體系和模式的改革[3]。山東理工大學的張曉君、李海洲等將TRIZ 創新方法融入采礦專業課程教學，能較好地提升學生的創新能力，提高人才培養質量[4]。東南大學成賢學院的郁佳佳、左梅基于TRIZ創新理論對“信號與系統”課程教學模式進行了探索，通過將TRIZ 關于技術創新和發明的思維方法引入課程教學活動中，提升了創新思維和創新能力[5]。綜上所述，將TRIZ理論應用于課程教學改革中，能較好地解決教學過程中出現的問題，并提升學生的創新意識和能力。

1 TRIZ理論概述

TRIZ 是俄文Teoriya Resheniya Izobreatatel-skikh Zadatch 的縮寫，譯為“發明問題解決理論（Theory of Innovative Problem Solving，TIPS）”，是G.S.Altshuller對 250萬件發明專利進行整理、歸納、提煉和重組，建立的系統化創新問題解決方法。經過70 年的發展，其應用范圍已涵蓋工程技術、管理、醫學、服務等領域[6]。TRIZ理論的主要內容由技術系統進化法則、矛盾矩陣、物—場分析、ARIZ、科學效應等方法或工具構成，解決問題首先需要將具體領域中的特殊問題表達成TRIZ 中的標準問題，然后利用各種方法和工具進行求解，得到的標準解也稱為普適解或模擬解，最后將標準解轉化為特殊問題的解，如圖1所示。

圖1 TRIZ 解決問題的流程

矛盾矩陣法是解決實際問題較為常用的方法，它定義了39 個通用工程參數，可以表達出實際工程中出現的絕大部分技術內容。解決問題的過程中，如果兩個參數之間相互制約，就形成了一對技術矛盾，技術矛盾對應了相應的發明原理，發明原理共計40 條。將技術矛盾與發明原理一一對應，就形成了39×39 的沖突矩陣[7]。發明原理指明了技術改進的方向，將專業領域的知識、技術手段與創新原理相結合，就能夠形成具體的問題解法。

2 TRIZ 理論在“三維機械設計”課程教學改革中的應用

2.1 問題描述

針對三維建模設計教學過程中實際存在的兩個問題，依據TRIZ 理論，將其轉化為標準問題。在課時量一定的情況下，講授理論環節和實踐操作環節構成一對主要矛盾，單純地“講授理論”會造成學生缺乏獨立思考能力，無法獨立完成零件的建模，對應39 個工程參數中的“No.38 自動化程度”，是惡化的參數。“實踐操作”是學生根據建模要求獨立完成零件的具體建模過程，對應39 個工程參數中的“No.35可操作性”，是改善的參數。

為加強實踐操作環節，常采用項目化教學方式，將建模命令融入到多個項目案例中，使得學生邊學邊做。但由于項目案例多是獨立的三維模型個體，項目之間關聯性較差，而真實的三維機械設計情境是每個零件的設計步驟環環相扣且各個零件之間緊密關聯，這就使得學生無法形成系統性思維，在日后的工作中難以獨立設計出機械產品。“項目案例過多且零散”對應39 個工程參數中的“No.26 物質或事物的數量”，是惡化的參數。“學生能夠獨立設計機械產品，適應多種工作場景”對應39 個工程參數中的“No.35 適應性及多用性”，是改善的參數。

2.2 問題求解

基于TRIZ 沖突矩陣理論，對上述問題進行求解。問題一中要改善的工程參數是“No.35可操作性”，不想被惡化的參數是“No.38 自動化程度”，查找TRIZ 沖突矩陣表[7]可以得到相應的發明原理，如表1所示，分別是：No.1分割原則；No.34部分剔除和再生原則；No.12等勢原則；No.3局部性質原則。No.1分割原則是指a.將物體分成獨立的部分，b.使物體成為可拆卸的，增加物體的分割程度；No.34 部分剔除和再生原則是指a.已完成自己的使命或已無用的物體部分應當剔除(溶解、蒸發等)或在工作過程中直接變化，b.消除的部分應當在工作過程中直接再生；No.12 等勢原則是指改變工作條件，使物體上升或下降；No.3局部性質原則是指a.從物體或外部介質(外部作用)的一致結構過渡到不一致結構，b.物體的不同部分應當具有不同的功能，c.物體的每一部分均應具備最適于它工作的條件。

表1 沖突矩陣簡表1

通過對標準解的篩選，發現No.1 分割原則可以使用，將其轉化為三維機械設計教學中的領域解。在教學過程中，將每節課分割成講授基本命令環節、教師操作演示環節以及學生實踐練習環節。首先對項目案例進行分析，講授基本建模命令，加深學生對建模命令和建模常識的理解，該環節約占課堂學時的1/5。接下來教師操作演示完成該項目模型的具體建模步驟，培養學生的建模思維和設計意識，該環節同樣占課堂學時的1/5左右。最后，學生使用建模軟件完成項目模型的建模任務，訓練學生獨立進行機械產品設計的能力，該環節占課堂學時的3/5左右。對于比較優秀的學生，還可以采用任務拓展式教學，在原有模型基礎上進行創新設計，培養學生的創新思維和創新意識。

問題二中要改善的工程參數是“No.35 適應性及多用性”，不想被惡化的參數是“No.26 物質或事物的數量”，查找TRIZ沖突矩陣表可以得到相應的發明原理，如表2所示，分別是：No.3 局部性質原則；No.15 動態原則；No.35 改變物體聚合態原則。No.3 局部性質原則是指a.從物體或外部介質(外部作用)的一致結構過渡到不一致結構，b.物體的不同部分應當具有不同的功能，c.物體的每一部分均應具備最適于它工作的條件；No.15 動態原則是指a.物體(或外部介質）的特性的變化應當在每一工作階段都是最佳的，b.將物體分成彼此相對移動的幾個部分，c.使不動的物體成為動的；No.35 是指改變物體聚合態原則，這里包括的不僅是簡單的過渡，例如從固態過渡到液態，還有向“假態”(假液態)和中間狀態的過渡，例如采用彈性固體。

表2 沖突矩陣簡表2

通過對標準解的篩選，發現No.15 動態原則可以使用，將其轉化為三維機械設計教學中的領域解。依據動態原則，將“三維機械設計”課程劃分為多個教學階段，依次是零件建模階段、裝配體設計階段、運動仿真階段、有限元分析階段、工程圖階段以及后續的加工制造階段，每個階段包含多個相關的項目案例，每個項目案例又包含相應的建模命令。上一階段與下一階段之間緊密銜接，共同構成一個完整的真實項目。教學過程中，采用企業真實的機械產品作為項目案例，將該案例分解為建模、裝配、仿真、工程圖等階段，并構建實際的工作情境，從而培養學生的系統性思維，提高三維機械設計能力。

3 “三維機械設計”課程教學改革實踐案例

依據TRIZ理論的分析，對原有的“三維機械設計”課程的教學方式進行了改革。在教學過程中，以制造類企業中常用的機用虎鉗為項目案例，將機用虎鉗的設計分解為六個階段，依次是零件建模階段、裝配體設計階段、運動仿真階段、有限元分析階段、工程圖階段以及加工制造階段，如圖2所示。各個階段之間相互關聯，上一個階段任務是下一個階段任務開展的前提基礎，下一個階段任務是上一個階段任務的綜合應用。每個階段又包含有相關的分項目，每個分項目又包含有相應的建模命令。比如零件建模階段，包含有活動鉗身、固定鉗身、螺桿、護口板等零件，而活動鉗身包含有拉伸命令、圓角命令以及異形孔命令，螺桿包含有掃描、倒角等命令。再比如裝配體設計階段，包含有虎鉗裝配和爆炸視圖兩個項目案例，虎鉗裝配包含有插入零部件、添加配合等命令，爆炸視圖包含有爆炸視圖的制作、動畫的生成等命令。無論教學過程進入到哪個階段，都是以教師講授建模命令為輔，以學生實踐操作練習為主。學生在真實的工作情境中學習完虎鉗的項目案例后，不僅掌握了相應的建模命令，而且培養了系統性思維，能夠獨立設計機械產品，創新意識也得到了提升。

圖2 機用虎鉗項目案例和設計流程

自“三維機械設計”課程改革以來，取得了豐碩的教學成果，學生的設計能力和創新意識大大提升。2019年以來，學生在中國第一屆職業技能大賽河北選拔賽-增材制造、全國機械創新設計大賽、“CAD 三維機械設計大賽”工業產品數字化設計與制造賽項、第九屆全國數控技能大賽河北選拔賽、“互聯網+”全國大學生創新創業大賽、“發明杯”大學生創新創業大賽等賽項中，獲國家級獎項3 項，省級獎項5項，并完成了河北省“雙師型”教師能力提升-3D 打印及逆向工程技術培訓的三維建模部分，學員好評如潮，充分說明了改革方式的可行性，改革結果的有效性。

4 結論

1）基于TRIZ理論，提出了一種面向真實工作情境的項目化教學方式，將教學過程合理劃分為講授基本命令環節、教師操作演示環節以及學生實踐練習環節，并采用企業真實的產品作為項目案例，將設計過程分解成多個緊密銜接的階段，以培養學生系統性思維，解決了“三維機械設計”課程教學過程中出現的重理論輕實踐以及學生難以學以致用的問題。

2）經過多年的教學實踐表明，采用該教學方式授課，學生的三維機械設計能力和創新意識得到了明顯提升，充分說明了教學改革可行且有效。