基于TRIZ理論的《陶瓷工藝學》教學與創新教育融合的研究

趙慧君 劉罡 李其松 賈少培 陳守輝 張文麗 鄭瑾 陳穎穎

摘要：為培養應用創新型人才，文章提出將《陶瓷工藝學》課程教學與創新教育融合的觀點，首先通過案例引導學生創新思維，突破定勢思維，其次將重新構建《陶瓷工藝學》的課程內容體系，同時，將課程中的知識重點與難點轉化為TRIZ系統中的技術沖突重現過程，通過翻轉式、啟發式教學引導學生主動參與發明原理溯源、技術進化定律分析及沖突科學解決的理性思考過程，實現了學生主動參與教學過程的目的，培養創新意識，提升掌握和使用創新工具的能力。為今后專業教育與創新教育的融合打下了良好的實踐基礎。

關鍵詞：TRIZ理論;陶瓷工藝學;創新教育;融合

《陶瓷工藝學》是材料科學與工程專業的專業限選課程，是無機非金屬材料專業一門主干的、實踐性較強的專業課程，主要講述陶瓷材料的生產工藝原理、工藝流程和工藝控制要點。通過課堂教學和工藝實驗，使學生了解日用陶瓷及主要工業陶瓷制品的種類、基本性能要求;掌握陶瓷生產主要原料的性質、特點和作用;掌握陶瓷坯料、釉料基本工藝要求和配方設計計算[1]。教學過程中融入TRIZ創新思維方法，將陶瓷工藝學課程教學與創新教育相融合，有效整合教學資源，加強學生的應用能力，培養學生的創新思維，為分析和解決一般生產工藝常見問題打開思路、提供工具，提升未來復合型應用人才的創新能力[2]。

1.TRIZ理論概述

1.1 TRIZ的基本內容

TRIZ是一種基于知識的發明問題解決系統方法學，該理論誕生于前蘇聯，是1946年由發明家、教育家根里奇·阿奇舒勒和他的研究團隊，從250多萬件發明專利中總結出的創新最常用的方法和原理[3]。TRIZ理論認為：（1）無論是一個簡單產品還是復雜的技術系統，其核心技術的發展都是遵循著客觀的規律發展演變的，即具有客觀的進化規律和模式;（2）各種技術難題、沖突和矛盾的不斷解決是推動這種進化過程的動力;（3）技術系統發展的理想狀態是用盡量少的資源實現盡量多的功能。

TRIZ是由40條發明原理、8大技術系統進化法則、4種分離方法、76個標準解形成的。經典TRIZ包括創新思維工具、技術系統進化法則、矛盾矩陣、物-場模型、標準解法等。TRIZ強調發明或創新可依一定的程序與步驟進行，而非偶然的頓悟、突然的靈光乍現。

1.2 TRIZ的應用

蘇聯在上世紀中期開始大力培養國民創新能力和素質，將TRIZ學習列入憲法中，有100多所院校開設有TRIZ理論的課程。隨著蘇聯的解體，人才向西方國家流動，世界各國才得以逐漸了解TRIZ理論并將其應用到本國的發展中。

美國的一些世界級公司，如波音公司，利用TRIZ理論解決了波音飛機空中加油的關鍵技術問題，從而戰勝了法國空中客車公司，為波音贏得了幾億美元的訂單。德國幾乎所有名列世界500強的大企業都采用了該理論，如西門子、奔馳、寶馬等著名公司都有專門的機構及人員負責該理論的培訓和應用。日本的索尼公司每年都要推出數種新產品，其動力來源于創新戰略和創新理論方法的研究應用。韓國的三星電子公司也專門成立了協會，在產品技術研發部門實施技術創新理論培訓，目前三星公司已成為在中國申請專利最多的國外企業[4]。

2.TRIZ理論在《陶瓷工藝學》教學中的應用

2.1 創新思維，突破定勢

創新是人人都具有的一種潛在的能力，而且這種能力可以通過一定的學習和訓練得到激發和提升。同時，創新是有規律可循的。而要創新思維，就要突破思維定勢。思維定勢能幫助我們解決常見的問題，提高效率，但也容易使思維僵化，養成一種機械、呆板、千篇一律的解題習慣。相對于傳統發散的創新方法，比如試錯法、頭腦風暴法等，TRIZ創新方法是收斂創新，其更加易于操作、系統化、流程化，實踐證明，運用TRIZ理論，可大大加快人們創造發明的進程，幫助人們系統地分析問題情境，突破思維障礙，快速發現問題本質或矛盾，確定問題探索方向。

《陶瓷工藝學》課程教學中，通過案例訓練學生的創新思維，比如“在一條有限的紙條上劃出一條直線，從起點到起點”，引導學生使用莫比烏斯環，然后引導學生思考莫比烏斯帶的應用領域，進而引出TRIZ創新方法中的效應庫。

2.2 基于TRIZ理論構建課程內容

傳統的《陶瓷工藝學》課程內容包括十個章節，與TRIZ創新方法相融合后，具體的章節內容發生了一些變化（表1），課程的總體學時不變。主要變化在于，加入了融合課程內容的TRIZ創新方法講授，尤其是前兩章的內容，TRIZ創新方法的介紹較多。經過TRIZ創新方法融合后的《陶瓷工藝學》，從目錄上來看，后面8個章節基本沒有發生變化，但在具體授課時，會以前兩章所學習的TRIZ創新方法為指導，對陶瓷制備工藝發展過程中的技術沖突或物理沖突進行識別并創新解決，為今后學習具體的陶瓷成型工藝、燒成工藝、施釉工藝等內容打好科技革新及分析解決技術沖突、物理沖突的基礎。

TRIZ理論認為在任何時代、任何科技領域都存在著技術進化系統，并總結出了9條技術進化定律，這種技術進化路線是可以被歸類和預測的。因此，在《陶瓷工藝學》的課程教學中，可以遵循陶瓷制備技術進化與發展的主線，分析把握工藝進化的主要因素與方向，將陶瓷制備工藝過程中每一道主要工序的變革與改進（第四、第五、第六、第七、第八章）看做是陶瓷制備工藝技術進化的典型案例進行分析，將第三章（顯微結構與性質）看做是具體技術沖突中的可分析工程參數，從而將整個課程的知識體系通過TRIZ方法有機的聯系起來，在傳授專業知識的基礎之上，有效提高學生掌握《陶瓷工藝學》課程的精髓，把握專業的發展及創新方向。

在具體教學過程中，每一章節在授課之前，將技術進化定律與授課內容進行統領式關聯，對技術發展中的沖突進行分類和分離。在具體到每一章節，每一個技術環節時，可以將每種新技術、新材料、新工藝的發展和應用解決了何種沖突作為出發點，運用TRIZ創新工具將創新方法及創新思維融入到具體的課程內容之中。

2.3 沖突與發明原理在《陶瓷工藝學》教學中的應用

沖突是指內在要素、作用或主張彼此不一致或相反的情景，發明的核心是解決沖突，未克服沖突的設計不是創新設計。當改善技術系統中某一特性或參數時，同時引起系統中另一特性或參數的變化，稱為技術沖突;在一個技術系統中對同一參數提出了相反或是不同的要求時，就構成了物理沖突。阿奇舒勒通過對大量的專利進行研究、分析、總結，提煉出了TRIZ理論中最重要，具有普遍用途的40個發明原理來解決技術沖突。 40個發明原理開啟了一道解決發明問題的天窗，將發明從魔術推向科學。

在陶瓷原料處理工藝改進中，為了獲得突破性的解決方案，需要專業技術人員不斷改進及創新。TRIZ工具中的阿奇舒勒沖突矩陣和發明原理可以啟發技術工程師獲得較為徹底的解決方案，而不需要通過妥協及折中的方法去解決技術沖突，大大提高了創新效率和效能。阿奇舒勒矛盾矩陣中調用的40個發明原理，在陶瓷原料處理工藝改進過程中都能夠體現和運用。在課程教學中可以與學生一起針對具體技術系統，尋找通用工程參數，確定技術矛盾，闡明適用的發明原理。現舉兩例。

TRIZ發明原理中的10“預操作”指的是事先完成部分或全部的動作或功能;在方便的位置預先安置物體，使其在第一時間發揮作用，避免時間的浪費。此原理在陶瓷原料處理工藝中得到了廣泛應用。我國陶瓷工業用石英原料通常采用脈石英或石英巖，質地堅硬，粉碎困難，效率低且磨損設備零件。而天然石英石低溫型的β-石英，當加熱到573℃時，多晶轉變為α-石英，體積驟然膨脹，致使石英內部結構疏松，利于粉碎。該處理方式同時采用了TRIZ發明原理36“相變”，即利用物質相變時產生的某種效應（如：體積改變、吸熱或放熱）。因此，石英粉碎前先進行預燒，強化晶型轉變，然后急冷，加劇產生內應力，促使碎裂。除了石英，其它原料如長石、滑石、粘土等，都可以采用類似預處理，因此，“預操作”、“相變”發明原理的采用大大改進了陶瓷原料的處理工藝，從而改變其結晶形態和物理性能，便于加工處理、純化原料，使之更加符合工藝要求，提高制品的品質，促進了陶瓷工藝的進步。

TRIZ發明原理中的15“逆向思維”指的是使物體或其環境自動調整，以使其在每個動作階段的性能達到最佳;把物體分成幾個部分，各部分之間可改變相對位置;使物體中的運動部分靜止，靜止部分運動。這條原理在陶瓷成型工藝時發揮了重要作用。例如，在陶瓷制品生產過程中，成型是非常關鍵的工序之一。可塑成型是最古老、形式變化最多，也是采用較多的成型方法。但可塑成型所用泥料含水量高，易變性、開裂等。旋壓成型是常用的一種可塑成型方法，主要是利用作旋轉運動的石膏模與只能上下運動的樣板刀來成型，因此坯體致密度和強度較低。利用“逆向思維”發明原理，把扁平的樣板刀改為回轉型的滾壓頭，成型時盛放泥料的模型和滾頭分別繞自己軸線以一定速度同方向旋轉，因此坯體組織結構均勻，致密度和強度均有所提高。同時，滾壓成型是靠滾頭與坯體相滾動而使坯體表面光滑，且無須再加水。通過逆向思維，賦予成型坯體高強度、不易變形、表面品質好、規整度高等多方面良好的性能。

2.4 技術進化定律及路線在《陶瓷工藝學》教學中的應用

技術系統在進化的過程中有一定的原則，而不具有隨機性。如果在進行產品技術研發時，能夠遵行法則掌握產品研發所處的階段，就能夠減少產品創新所花費的時間，由此節約企業產品創新的成本[5]。生物的生命周期往往會呈現出S曲線，技術系統的進化也恰好遵循客觀的進化規律，當技術系統經歷了幼年、成熟等時期后，會形成一個循環，如圖1所示。

在學習《陶瓷工藝學》核心內容“燒成”時，引導學生從燒成設備的核心技術出發，應用TRIZ工具，將陶瓷燒成工藝發展與系統進化理論聯系起來，從而高效地找到技術進化路線。在其他章節的技術進步及革新替代中也應用TRIZ系統工具進行分析，現以兩個教學案例具體說明如何將技術進化定律與陶瓷工藝技術進步進行融合。

陶瓷行業的產品迭代離不開上游陶機裝備，尤其是被喻為陶瓷生產線心臟的窯爐設備的創新。從上世紀80年代起，窯爐技術在寬體化、輕體化、燃氣化和自動化等方面取得了長足的進步，并且隨著“工業4.0”和“中國制造2025”等概念的提出，窯爐裝備也在向數字智能化方向邁進。其符合TRIZ進化定律5“子系統不均衡進化法則”。在陶瓷的燒成設備中，輥道窯的輥棒自動檢測和智能管理設備未來或成標配，同時，隨著各陶瓷產區推進“煤改氣”進程的加快，越來越多企業的窯爐開始改燒天然氣，而天然氣窯爐節能降耗的空間巨大，另外，寬體化是窯爐行業的發展方向，從早期的2米內寬再到后來的3.15米、3.45米以及3.85米，超寬體窯爐已經成為眾多陶瓷企業的標配，在窯爐橫向加寬的同時，另一方面，雙層窯和多層裝載的窯爐也開始出現，在縱向空間做文章，雙層窯、多層裝載或許將成為趨勢[6]。而燒成是普通陶瓷制造工藝過程中的工序之一，而窯爐則是燒成的專門熱工設備，燒成過程直接決定著陶瓷制品的礦物組成和顯微結構，以及生產成本等。為了提高陶瓷制品的產量和質量，降低能耗，降低勞動強度，減少污染以及提高燒成溫度，窯爐設備從古老的古窯、龍窯、階級窯、景德鎮窯，到近現代的倒焰窯、隧道窯、梭式窯、輥道窯，窯爐設備與燃料的發展變化，與其他工序相互影響，不平衡發展，由此也產生一系列創新。

再以現代的注射成型技術為例，其技術發展路徑符合進化定律4“提高理想度法則”，即技術系統朝著提高系統理想度的方向進化。傳統的可塑成型的生產效率一般較低，且對泥料的可塑性較高，同時對操作人員的技術要求較高，工藝的普遍適用性較低;注漿成型的陶瓷制品相比而言工藝適用性提高，對操作人員的要求明顯降低，但注漿成型的尺寸精度較低;注射成型無論是適用性，還是產品尺寸精度、產品復雜程度都有較大改善，注射成型產品的整體性能普遍提高。利用現有的能量和資源實現有用功能，同時降低或減少有害作用，從而提高理想度。

3.結語

將TRIZ 理論引入專業課程教學過程，對專業課程《陶瓷工藝學》的教學方法與手段、教學內容進行重新設計與構建。在教學過程中構建技術沖突、物理沖突并引導解決沖突的場景，將陶瓷制品的制備工藝發展與技術系統進化法則聯系起來，通過多種教學方法與手段，引導學生運用TRIZ創新工具參與尋找技術進化規律與路線，通過科學的方法培養學生的創新意識，將專業教育與創新教育有機融合在一起，取得了良好的效果，為創新教育與專業教育融合之課程體系建設提供了有益的借鑒。

參考文獻：

[1]王永亞，陳海鋒，徐敏虹.《陶瓷工藝學》教學改革探索與實踐，湖南師范學院學報.2017，39（6）：56-59

[2]鄭瑾， 楊操，劉文濤.融合創新創業教育的《包裝印刷技術》課程教學改革與實踐[J].包裝工程. 2020，41（S1）：156-159.

[3]創新方法研究會.創新方法教程[M].北京：高等教育出版社，2012

[4]王秀麗，朱耿先.《基礎工業工程》課程教學中融入TRIZ 創新思維方法的研[J].教育教學論壇，2019（13）：151-154

[5]朱妍雯，王亞楠.TRIZ理論在電工學課程教學中的應用[J].創新創業理論研究與實踐.2019（7）：45-46

[6]石少華.工業爐燃燒技術的創新[J].冶金與材料.2019（1）：149-150

基金項目：科技部創新方法工作專項“河南省創新方法推廣應用與示范 ”，項目編號：2019IM010400。

作者簡介：趙慧君（1972-），女，中原工學院副教授，主要研究方向為無機非金屬材料和創新創業教育。