基于TRIZ 理論的“三維機械設(shè)計”課程教學改革＊

張鵬躍，劉爽爽，黃文靜，王紅光

（河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學智能制造學院，河北 石家莊 050091）

0 引言

“三維機械設(shè)計”課程是機械類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，是學生掌握三維數(shù)字化設(shè)計的重要理實一體化教學環(huán)節(jié)。該課程屬于計算機輔助設(shè)計與制造課程，主要教學內(nèi)容為軟件的基本操作、零件的三維建模、裝配體設(shè)計、運動仿真以及工程圖繪制等[1]。常用的三維機械設(shè)計軟件有UG、PROE、SolidWorks等，然而在教學中發(fā)現(xiàn)，無論使用哪一款建模軟件進行教學，都會出現(xiàn)兩個問題：一是重理論輕實踐，即重點講授基礎(chǔ)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(chǔ)建模命令或者單獨的模型案例進行訓(xùn)練，無法形成系統(tǒng)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(nèi)外學者應(yīng)用TRIZ 理論做了諸多研究和探索，并提出了相應(yīng)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(shù)沖突矩陣理論對機械基礎(chǔ)課程實驗進行教學改革，解決了實驗項目數(shù)量和復(fù)雜度增加的矛盾，提升了學生的創(chuàng)新能力[2]。天津工業(yè)大學尚志武、劉欣、王天琪提出了一種融合TRIZ 創(chuàng)新方法的理論、實踐和素質(zhì)拓展三位一體的創(chuàng)新能力培養(yǎng)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(chuàng)新能力培養(yǎng)模式，推動了理工科大學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)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(chuàng)新方法融入采礦專業(yè)課程教學，能較好地提升學生的創(chuàng)新能力，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量[4]。東南大學成賢學院的郁佳佳、左梅基于TRIZ創(chuàng)新理論對“信號與系統(tǒng)”課程教學模式進行了探索，通過將TRIZ 關(guān)于技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)明的思維方法引入課程教學活動中，提升了創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力[5]。綜上所述，將TRIZ理論應(yīng)用于課程教學改革中，能較好地解決教學過程中出現(xiàn)的問題，并提升學生的創(chuàng)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(fā)明問題解決理論（Theory of Innovative Problem Solving，TIPS）”，是G.S.Altshuller對 250萬件發(fā)明專利進行整理、歸納、提煉和重組，建立的系統(tǒng)化創(chuàng)新問題解決方法。經(jīng)過70 年的發(fā)展，其應(yīng)用范圍已涵蓋工程技術(shù)、管理、醫(yī)學、服務(wù)等領(lǐng)域[6]。TRIZ理論的主要內(nèi)容由技術(shù)系統(tǒng)進化法則、矛盾矩陣、物—場分析、ARIZ、科學效應(yīng)等方法或工具構(gòu)成，解決問題首先需要將具體領(lǐng)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(zhuǎn)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(shù)，可以表達出實際工程中出現(xiàn)的絕大部分技術(shù)內(nèi)容。解決問題的過程中，如果兩個參數(shù)之間相互制約，就形成了一對技術(shù)矛盾，技術(shù)矛盾對應(yīng)了相應(yīng)的發(fā)明原理，發(fā)明原理共計40 條。將技術(shù)矛盾與發(fā)明原理一一對應(yīng)，就形成了39×39 的沖突矩陣[7]。發(fā)明原理指明了技術(shù)改進的方向，將專業(yè)領(lǐng)域的知識、技術(shù)手段與創(chuàng)新原理相結(jié)合，就能夠形成具體的問題解法。

2 TRIZ 理論在“三維機械設(shè)計”課程教學改革中的應(yīng)用

2.1 問題描述

針對三維建模設(shè)計教學過程中實際存在的兩個問題，依據(jù)TRIZ 理論，將其轉(zhuǎn)化為標準問題。在課時量一定的情況下，講授理論環(huán)節(jié)和實踐操作環(huán)節(jié)構(gòu)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(yīng)39 個工程參數(shù)中的“No.38 自動化程度”，是惡化的參數(shù)。“實踐操作”是學生根據(jù)建模要求獨立完成零件的具體建模過程，對應(yīng)39 個工程參數(shù)中的“No.35可操作性”，是改善的參數(shù)。

為加強實踐操作環(huán)節(jié)，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(guān)聯(lián)性較差，而真實的三維機械設(shè)計情境是每個零件的設(shè)計步驟環(huán)環(huán)相扣且各個零件之間緊密關(guān)聯(lián)，這就使得學生無法形成系統(tǒng)性思維，在日后的工作中難以獨立設(shè)計出機械產(chǎn)品。“項目案例過多且零散”對應(yīng)39 個工程參數(shù)中的“No.26 物質(zhì)或事物的數(shù)量”，是惡化的參數(shù)。“學生能夠獨立設(shè)計機械產(chǎn)品，適應(yīng)多種工作場景”對應(yīng)39 個工程參數(shù)中的“No.35 適應(yīng)性及多用性”，是改善的參數(shù)。

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(shù)是“No.35可操作性”，不想被惡化的參數(shù)是“No.38 自動化程度”，查找TRIZ 沖突矩陣表[7]可以得到相應(yīng)的發(fā)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(zhì)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(yīng)當剔除(溶解、蒸發(fā)等)或在工作過程中直接變化，b.消除的部分應(yīng)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(zhì)原則是指a.從物體或外部介質(zhì)(外部作用)的一致結(jié)構(gòu)過渡到不一致結(jié)構(gòu)，b.物體的不同部分應(yīng)當具有不同的功能，c.物體的每一部分均應(yīng)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(fā)現(xiàn)No.1 分割原則可以使用，將其轉(zhuǎn)化為三維機械設(shè)計教學中的領(lǐng)域解。在教學過程中，將每節(jié)課分割成講授基本命令環(huán)節(jié)、教師操作演示環(huán)節(jié)以及學生實踐練習環(huán)節(jié)。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(huán)節(jié)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(yǎng)學生的建模思維和設(shè)計意識，該環(huán)節(jié)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(wù)，訓(xùn)練學生獨立進行機械產(chǎn)品設(shè)計的能力，該環(huán)節(jié)占課堂學時的3/5左右。對于比較優(yōu)秀的學生，還可以采用任務(wù)拓展式教學，在原有模型基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新設(shè)計，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識。

問題二中要改善的工程參數(shù)是“No.35 適應(yīng)性及多用性”，不想被惡化的參數(shù)是“No.26 物質(zhì)或事物的數(shù)量”，查找TRIZ沖突矩陣表可以得到相應(yīng)的發(fā)明原理，如表2所示，分別是：No.3 局部性質(zhì)原則；No.15 動態(tài)原則；No.35 改變物體聚合態(tài)原則。No.3 局部性質(zhì)原則是指a.從物體或外部介質(zhì)(外部作用)的一致結(jié)構(gòu)過渡到不一致結(jié)構(gòu)，b.物體的不同部分應(yīng)當具有不同的功能，c.物體的每一部分均應(yīng)具備最適于它工作的條件；No.15 動態(tài)原則是指a.物體(或外部介質(zhì)）的特性的變化應(yīng)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(tài)原則，這里包括的不僅是簡單的過渡，例如從固態(tài)過渡到液態(tài)，還有向“假態(tài)”(假液態(tài))和中間狀態(tài)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(fā)現(xiàn)No.15 動態(tài)原則可以使用，將其轉(zhuǎn)化為三維機械設(shè)計教學中的領(lǐng)域解。依據(jù)動態(tài)原則，將“三維機械設(shè)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(shè)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(xù)的加工制造階段，每個階段包含多個相關(guān)的項目案例，每個項目案例又包含相應(yīng)的建模命令。上一階段與下一階段之間緊密銜接，共同構(gòu)成一個完整的真實項目。教學過程中，采用企業(yè)真實的機械產(chǎn)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(gòu)建實際的工作情境，從而培養(yǎng)學生的系統(tǒng)性思維，提高三維機械設(shè)計能力。

3 “三維機械設(shè)計”課程教學改革實踐案例

依據(jù)TRIZ理論的分析，對原有的“三維機械設(shè)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(yè)中常用的機用虎鉗為項目案例，將機用虎鉗的設(shè)計分解為六個階段，依次是零件建模階段、裝配體設(shè)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(guān)聯(lián)，上一個階段任務(wù)是下一個階段任務(wù)開展的前提基礎(chǔ)，下一個階段任務(wù)是上一個階段任務(wù)的綜合應(yīng)用。每個階段又包含有相關(guān)的分項目，每個分項目又包含有相應(yīng)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(shè)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(yīng)的建模命令，而且培養(yǎng)了系統(tǒng)性思維，能夠獨立設(shè)計機械產(chǎn)品，創(chuàng)新意識也得到了提升。

圖2 機用虎鉗項目案例和設(shè)計流程

自“三維機械設(shè)計”課程改革以來，取得了豐碩的教學成果，學生的設(shè)計能力和創(chuàng)新意識大大提升。2019年以來，學生在中國第一屆職業(yè)技能大賽河北選拔賽-增材制造、全國機械創(chuàng)新設(shè)計大賽、“CAD 三維機械設(shè)計大賽”工業(yè)產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計與制造賽項、第九屆全國數(shù)控技能大賽河北選拔賽、“互聯(lián)網(wǎng)+”全國大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、“發(fā)明杯”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)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(shù)培訓(xùn)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(jié)果的有效性。

4 結(jié)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(huán)節(jié)、教師操作演示環(huán)節(jié)以及學生實踐練習環(huán)節(jié)，并采用企業(yè)真實的產(chǎn)品作為項目案例，將設(shè)計過程分解成多個緊密銜接的階段，以培養(yǎng)學生系統(tǒng)性思維，解決了“三維機械設(shè)計”課程教學過程中出現(xiàn)的重理論輕實踐以及學生難以學以致用的問題。

2）經(jīng)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(shè)計能力和創(chuàng)新意識得到了明顯提升，充分說明了教學改革可行且有效。