TRIZ方法融入物理光學(xué)課程教學(xué)研究

韓克禎 王本義 秦 華 孫玉萍

（山東理工大學(xué)物理與光電工程學(xué)院 山東·淄博 255049）

物理光學(xué)課程是物理學(xué)類、電子信息類、儀器類的一門重要基礎(chǔ)課，具有連貫的理論知識(shí)體系和廣泛的實(shí)際應(yīng)用。課程內(nèi)容從麥克斯韋電磁理論出發(fā)，系統(tǒng)探討光的基本性質(zhì)、干涉、衍射、偏振和晶體光學(xué)等內(nèi)容，在專業(yè)人才培養(yǎng)過程中具有承前啟后的關(guān)鍵作用。通過課程學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠獲得物理光學(xué)方面的基本原理和知識(shí)，培養(yǎng)分析問題、解決問題的能力，提高現(xiàn)代科學(xué)素養(yǎng)，為學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課程以及從事相關(guān)專業(yè)工作和科研深造打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

近年來，國家大力提倡全民創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，這就要求除了專業(yè)知識(shí)之外，還需要?jiǎng)?chuàng)新思維的培養(yǎng)和創(chuàng)新能力的鍛煉。落實(shí)到物理光學(xué)課程教學(xué)中，就需要教師不能僅僅進(jìn)行專業(yè)知識(shí)的講授，而是要對(duì)專業(yè)知識(shí)和創(chuàng)新教育進(jìn)行深度融合，提高學(xué)生創(chuàng)新能力。

Triz（俄語 Teoriya Resheniyva Izobretatel’skikh Zadatch的首字母）是蘇聯(lián)發(fā)明家阿奇舒勒及其團(tuán)隊(duì)成員在分析了海量?jī)?yōu)質(zhì)發(fā)明專利的基礎(chǔ)上凝練提取的發(fā)明問題解決理論，借助TRIZ理論的幫助，可以將原本需要專業(yè)技術(shù)人員在多年經(jīng)驗(yàn)積累基礎(chǔ)上才能頓悟得到的創(chuàng)新在較短時(shí)間內(nèi)完成，由于其卓越的有效性，在世界范圍內(nèi)被眾多企業(yè)廣泛應(yīng)用[1]。后來逐漸引入教育教學(xué)領(lǐng)域，尤其是機(jī)械[2][3]、車輛[4]等傳統(tǒng)工科教學(xué)。近年來，物理、數(shù)學(xué)、經(jīng)濟(jì)、外語等課程也加強(qiáng)了與TRIZ的融合。將TRIZ發(fā)明原理融入物理光學(xué)教學(xué)，在實(shí)踐和理論層面都具有積極意義。在學(xué)校支持下，物理光學(xué)教學(xué)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了TRIZ方法融入課程教學(xué)的探索和實(shí)踐，主要采用案例教學(xué)法、啟發(fā)式教學(xué)法和任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法展開融合教學(xué)。

1 案例教學(xué)法+TRIZ發(fā)明原理

具體做法是將物理光學(xué)核心知識(shí)點(diǎn)與40個(gè)發(fā)明原理進(jìn)行交叉組合，凝練有價(jià)值的教學(xué)案例，闡明案例背后的創(chuàng)新思維，形成融合教學(xué)內(nèi)容。經(jīng)過篩選分析，融合教學(xué)案例中主要采用了以下幾個(gè)創(chuàng)新原理。

1.1 復(fù)制原理+物理或化學(xué)參數(shù)改變?cè)?/h3>

該原理主要利用計(jì)算機(jī)軟件編程技術(shù)，將抽象復(fù)雜的知識(shí)點(diǎn)以圖片、動(dòng)畫的形式生動(dòng)形象地展示出來，并可以顯示物理參數(shù)改變時(shí)相應(yīng)光學(xué)現(xiàn)象的對(duì)應(yīng)變化，在教學(xué)實(shí)踐中，本團(tuán)隊(duì)積累了大量的演示動(dòng)畫資料，內(nèi)容包含光矢量的振動(dòng)與合成、激光諧振腔的駐波、光波的傅里葉分解、光學(xué)拍、群速度與相速度、法布里玻羅濾波片、偏振光經(jīng)波片后偏振態(tài)的變換等豐富的教學(xué)內(nèi)容。這種化抽象為形象、化復(fù)雜為生動(dòng)的教學(xué)方法，有力地提高了學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解和把握。

1.2 分割原理

分割原理是指將一個(gè)完整系統(tǒng)分割成若干個(gè)部分，我們將其推廣到物理光學(xué)教學(xué)中，比如討論光在介質(zhì)分界面上的反射和折射時(shí)，將入射光波分割為p分量和s分量單獨(dú)進(jìn)行分析，有力簡(jiǎn)化了計(jì)算并且得到有意義的結(jié)論，也就是菲涅爾公式。在單軸晶體中，入射線偏振光可以分解為o光和e光，單獨(dú)分析o光和e光的傳輸特性，最后進(jìn)行綜合，可以得到波片的位相延遲作用。通過闡明知識(shí)點(diǎn)背后蘊(yùn)含的發(fā)明原理，學(xué)生會(huì)獲得高于知識(shí)層面的創(chuàng)新能力的啟迪。

1.3 抽取原理

在經(jīng)典TRIZ中，抽取原理的本義是識(shí)別系統(tǒng)中的有用或有害部分，并將其從系統(tǒng)中分離出來。在與物理光學(xué)的融合教學(xué)中，體現(xiàn)在從復(fù)雜光學(xué)現(xiàn)象中抽取主要矛盾，提出理想物理光學(xué)模型，如平面簡(jiǎn)諧波模型、振蕩電偶極子模型等。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生不但了解這些光學(xué)模型的知識(shí)，還會(huì)進(jìn)一步思考為什么要建立這些模型以及如何建立這些模型。

1.4 非對(duì)稱原理

該原理是指利用非對(duì)稱的系統(tǒng)形態(tài)來優(yōu)化系統(tǒng)的性能。一個(gè)典型的案例就是光學(xué)隔離器，采用磁光效應(yīng)的方向上的非對(duì)稱性，制作只允許光單向通過的隔離器。

1.5 同質(zhì)原理

該原理原本是指不同組件采用同種材質(zhì)的材料，降低后期維護(hù)。推廣大物理光學(xué)教學(xué)中，是指不同的光學(xué)系統(tǒng)背后有相同或相似的原理。通過這些光學(xué)系統(tǒng)的對(duì)比，相互比較印證，有利于學(xué)生對(duì)原理的把握和不同光學(xué)系統(tǒng)的深刻理解。典型的實(shí)例是菲涅爾雙棱鏡、菲涅爾雙面鏡、洛埃鏡、比耶對(duì)切透鏡等不同雙光束干涉實(shí)驗(yàn)裝置，背后的原理都是雙光束干涉，條紋間距的計(jì)算公式也相同。

1.6 多維化原理

該原理是指改變系統(tǒng)的維度，從而改善系統(tǒng)性能。將其推廣到課程中的一個(gè)實(shí)例是采用電光效應(yīng)原理的泡克爾盒，在電光晶體的縱向應(yīng)用中，單片模式半波電壓很高，通過采用多片模式，則有效降低施加在晶體兩端的電壓。更進(jìn)一步，通過采用縱向、橫向連用的模式，還可以消除電光器件對(duì)環(huán)境溫度的敏感程度。

1.7 中介原理

利用中介物在不相容的功能之間建立有效鏈接。課程教學(xué)中的一個(gè)實(shí)例是各向異性晶體的示性曲面。通過晶體的折射率橢球、法線面、波矢面和光線面這四個(gè)中介物，將抽象的光學(xué)概念與實(shí)際的光學(xué)傳輸問題形象地聯(lián)系起來，為后續(xù)的各類作圖法，如斯涅爾作圖法、惠更斯作圖法做好了準(zhǔn)備。

2 啟發(fā)式教學(xué)+技術(shù)進(jìn)化法則

在物理光學(xué)教學(xué)實(shí)踐中，我們將啟發(fā)式教學(xué)與TRIZ理論的技術(shù)進(jìn)化法則相結(jié)合，在核心知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，啟發(fā)學(xué)生分析知識(shí)點(diǎn)背后的技術(shù)進(jìn)化脈絡(luò)，使學(xué)生獲得更高層次的思維啟發(fā)。比如，在學(xué)習(xí)分光器件時(shí)，啟發(fā)學(xué)生思考棱鏡為什么被光柵取代；深入研究朗齊光柵→閃耀光柵→階梯光柵背后的技術(shù)進(jìn)化法則。通過層層遞進(jìn)的分析研究，學(xué)生從掌握知識(shí)點(diǎn)→能夠應(yīng)用→能夠評(píng)價(jià)光學(xué)器件性能、預(yù)測(cè)光學(xué)器件的未來發(fā)展，這符合布魯姆的分層次認(rèn)知理論，同時(shí)也有助于實(shí)現(xiàn)國家金課建設(shè)高階性要求的達(dá)成。

3 任務(wù)驅(qū)動(dòng)教學(xué)法+矛盾分析解決

針對(duì)物理光學(xué)課程和實(shí)際教學(xué)條件，我們布置一些適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)任務(wù)。比如，要設(shè)計(jì)一個(gè)望遠(yuǎn)鏡，為了提高分辨率，口徑需要大一些；為了降低制造難度，口徑又需要小一些；學(xué)生為了解決這種物理矛盾，就會(huì)思考解決物理矛盾的方式，比如矛盾分離法，通過化整為零，利用拼接技術(shù)，將多塊小鏡片拼接為大口徑望遠(yuǎn)鏡。更進(jìn)一步，如何檢測(cè)拼接質(zhì)量呢？學(xué)生最終想到光學(xué)干涉測(cè)量技術(shù)。在調(diào)研過程中，學(xué)生會(huì)發(fā)現(xiàn)若干國家重大光學(xué)工程的輝煌成果，不知不覺中，實(shí)現(xiàn)了課程思政自然而然的融入。這樣，在一次教學(xué)過程中，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新方法和課程思政的完美融合。

4 評(píng)價(jià)體系改革

TRIZ方法融入物理光學(xué)課程教學(xué)改革之前，物理光學(xué)采取“總評(píng)成績(jī)=平時(shí)的過程性成績(jī)×40%+期末的終結(jié)性成績(jī)×60%”的考核形式。考核沒有考慮與TRIZ相關(guān)的學(xué)習(xí)活動(dòng)和考試題目。

改革過程中，我們?cè)谄綍r(shí)作業(yè)和期末考試適當(dāng)加入TRIZ創(chuàng)新方法解決物理光學(xué)問題的研題目，考查學(xué)生對(duì)創(chuàng)新原理的理解和掌握，激發(fā)學(xué)生的積極主動(dòng)性。

5 實(shí)施效果

為了獲得學(xué)生對(duì)TRIZ融入物理光學(xué)課程教學(xué)的反饋，我們利用網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)平臺(tái)對(duì)學(xué)生發(fā)起調(diào)查。反饋表明，超過90%的學(xué)生認(rèn)為TRIZ方法靈活生動(dòng)，非常有啟發(fā)價(jià)值，對(duì)學(xué)生以后分析問題的思維方法產(chǎn)生積極的正面作用。

6 結(jié)語

為助力大眾創(chuàng)新、萬眾創(chuàng)業(yè)，提高學(xué)生創(chuàng)新思維能力，我們將TRIZ創(chuàng)新理論引入物理光學(xué)課程教學(xué)，主要展開了發(fā)明原理、技術(shù)進(jìn)化法則、技術(shù)矛盾和物理矛盾三方面的融入式教學(xué)。教學(xué)結(jié)果反饋表明，教學(xué)改革在啟發(fā)學(xué)生創(chuàng)新思維、提高學(xué)生創(chuàng)新能力、提高物理光學(xué)教學(xué)效果方面取得了較好的效果。在以后的教學(xué)過程中，我們會(huì)進(jìn)一步進(jìn)行深化挖掘，優(yōu)化教學(xué)方案，實(shí)現(xiàn)更好的教改效果。