基于TRIZ 理論的板書教學系統改進設計*

李明龍，呂其峰，孫 喆，劉春含，杜宇輝，劉靜娜

（1.天津理工大學天津市先進機電系統設計與智能控制重點實驗室，天津 300384；2.天津理工大學機電工程國家級實驗教學示范中心，天津 300384）

TRIZ理論起初用于探究問題和處理問題，它名字的來源可以追溯到俄羅斯，俄羅斯語翻譯成中文的意思是“發明問題解決理論”。在應用TRIZ 理論解決問題時通常需要經過3 個階段，分別是：認知問題、處理問題和概念創新。通過系統組件分析、資源分析與因果分析等方法對所分析系統中存在的問題進行確認[1]。運用矛盾求解，物場求解等手段對目標問題設定系統性的解決方向和解決方案，在獲得所有的解決方案后，總結每一個方案的優點與缺點，分析該方案是否為最優解。

1 相關問題概述

小學生、中學生以及大學生的課堂上，黑板和粉筆仍然發揮著重要作用。然而，在教師書寫過程和清理過程中，會產生大量粉塵，嚴重危害師生的身體健康，尤其對呼吸道、肺、眼睛、皮膚的危害極大，極易形成某些難對付的慢性病[2]。同時，粉筆灰也破壞了教室的衛生（見圖1）。

圖1 使用粉筆而產生的嚴重灰塵

隨著科技進步、教育事業的發展，雖然多媒體等新一代“電子屏”教學設備不斷涌現，但是仍有教室投入使用的是傳統黑板，無塵“電子屏”時代并沒有完全到來。根據相關資料顯示，主要是由于傳統教室基數大，大規模投入電子設備成本非常大；板書文化傳承已久，使用電子屏存在習慣問題和方便問題； “電子屏”等相關設備長時間的使用會對學生的眼睛造成一定程度的傷害[3]。

綜上所述，當前需要既經濟又實用的教學用具來實現教學目的，本文將對傳統教學系統進行分析與創新。

2 基于TRIZ 理論的傳統板書教學系統優化設計

運用TRIZ 理論來解決問題，主要基本思想是分析模型中存在的問題，通過TRIZ 工具進行合理的歸類，再通過其類別內的解決方法類型來確定問題的解決方向，最后根據模型所處實際情況進行分析總結，并得出最終的解決方案[4]。

2.1 傳統板書教學組件分析

傳統板書教學系統的組件見表1。

表1 傳統板書教學系統

圖2 為傳統板書教學系統的功能模型。由圖2可知，該板書教學系統的功能模型具有兩種功能，分別是有用功能和有害功能。有害功能會導致不理想的結果，如粉筆自身產生的灰塵，吸附灰塵的板擦產生的灰塵，手拿板擦或粉筆吸附在手上的灰塵，這些灰塵所產生的有害結果會通過空氣進入人的呼吸系統，對身體產生不良影響。

圖2 傳統板書教學系統的功能模型

從功能模型可以確定產生問題的3 種功能：一是手接觸粉筆，在書寫過程中，粉塵黏附于手，通過運動揚起，進入呼吸道；二是板擦清除粉筆字的過程中，板擦未全部吸收粉塵導致其揚起；三是粉筆與黑板接觸，在書寫過程中產生粉塵。這3 種功能都會產生粉塵，屬于有害功能。

2.2 工程參數與矛盾分析

為使在該系統中的具體實際問題轉為TRIZ 問題，可以通過使用阿奇舒勒先生在對大量的工程實際與專利文獻分析中總結出的39 個通用技術參數，來進行問題的轉換。這些通用技術參數基本概括了工程領域中出現的絕大部分技術矛盾問題[5]。

2.2.1技術矛盾分析

如果粉筆具備了一定的黏度，那么就能在很大程度上解決粉筆在書寫過程中產生粉塵的問題。然而粉筆具備一定程度上的黏度，必然會帶來書寫上的不便，概括為技術參數就是：減少了粉筆書寫過程中粉塵的產生，導致了其使用的方便性降低。這就構成了一組技術矛盾。

可以用39 個通用技術參數中的兩個來描述這個矛盾的兩個方面。

有利的參數——40 物體產生的有害因素（書寫在黑板上的粉筆顆粒有一定的黏性，能很好地黏附在黑板上，小顆粒沉淀降低了產生粉塵小顆粒的可能性）

有害的參數——34 使用的方便性 （操作性）（粉筆具備一定程度上的黏性勢必會帶來書寫方面的不舒服、不方便）

受到35 號原理（物理或化學參數的改變）和40 號原理（復合材料）的啟發，嘗試改變粉筆的化學成分來改變粉筆的黏度，以達到除去書寫時產生的絕大部分粉塵。通過檢查日常教室中的粉筆盒，發現目前市面上所采用的絕大多數粉筆是由石膏制成的，其成分主要為碳酸鹽[6]，易粉末化，在書寫過程中容易產生大量的粉塵。而作為粉筆的同類書寫產品——蠟筆，因其油性易黏，從而可以達到無塵的狀態。

類比普通的粉筆固化，在其中加入甘油等油脂類物質[7]，使粉筆油化、蠟化，同時選擇泥灰巖和黏土相互結合的方式來代替傳統單一的硫酸鈣，其目的是為了加重“粉筆”粉塵顆粒的重量，使其即使有極小部分揮發進入空氣也能自行沉淀。

通過觀察發現，日常使用的粉筆通常截面為六角形呈棱柱結構，新粉筆在書寫過程中， “粉筆”與黑板的接觸面積較小，呈直角接觸，壓強大，結合40 個創新原理中的14 號創新原理：曲面化來解決。

通過查閱資料可知，教師書寫粉筆最佳角度為15°。因此將直棱柱的粉筆改進為子彈頭型，增加了新粉筆在書寫過程中的接觸面積[8]，進一步減少了粉塵的產生，增加了新粉筆書寫的流暢性。

2.2.2運用物理矛盾解決問題

物理矛盾分析：參數減少粉塵， （需要） “粉筆”具有一定的黏度，因為要減少書寫過程中的粉塵揮發；參數減少粉塵， （需要） “粉筆”不具有特別大的黏度，因為要便于板擦吸收全部粉塵，方便將黑板清理干凈的同時，不揚起粉塵。

以下采用時間分離與系統級別分離的解決方案。時間分離的解決方案為在書寫階段和板擦清理階段明顯存在著一個時間差，運用時間分離使“粉筆”在書寫過程中具備一定程度的黏性，不易于粉塵的揮發揚起， “粉筆”在板擦擦拭清理過程中不具備非常大的黏性，便于板擦完全吸收清理粉塵并不揚起粉塵。系統級別的解決方案為由于板擦自身為消耗品，故采用了技術系統進化趨勢中的向超系統過度的進化趨勢，希望通過板擦與黑板超系統之間的相互配合來實現粉塵的“無塵”清理。結合系統級別分離原理內28 號發明原理：機械系統替代原理中使用與物體相互作用的電磁場，通過靜電除塵的方法，以求板擦在擦拭清理干凈黑板的同時，完全吸收粉塵。

受當前技術水平和粉筆成本問題的限制，時間分離方案的可行性較低不利于實現，可以嘗試通過系統級別分離的方法去解決問題。

針對板擦除塵方面參考到了工業上采用的靜電除塵原理進行改進，在日常的黑板一側設置一塊由塑料涂層構成的靜電區[9]，在擦拭清理過程中，用板擦在黑板的靜電區來回摩擦接觸起電，使板擦帶上一定程度的靜電，從而輕易的擦去黑板上的粉筆字，靜電的吸附性防止了因板擦吸力不足問題而揚起粉塵的發生。

2.2.3運用物場模型分析解決問題

教師書寫過程，粉筆灰會黏附在教師的手上，物場模型見圖3。

圖3 原始物場模型圖

利用物場分析的第5 級標準解法中S5.1.1 有害模型1 來解決問題。加入第三種物質，阻止有害作用。新物場模型見圖4。

圖4 新物場模型圖

受物-場模型的啟發，嘗試在粉筆的外層加入特殊物質，來隔絕書寫過程中與手的直接接觸，如添加多層復合隔膜絕材料涂層[10]。書寫部分的填涂層會因為與黑板的摩擦暴露出內部的粉筆層，并不會影響教學過程中的書寫問題。完美的解決了手—粉筆系統作用過程中產生粉塵的問題。

3 最終方案確定

通過TRIZ 理論對該問題進行分析后，運用TRIZ 工具生成解決該系統問題的4 種方案，然后將這4 種方案進行組合得到最終方案。添加一定比例的甘油等油脂類物質與泥灰巖、黏土以增加粉筆黏度，改變粉筆外形并在粉筆外層涂抹隔離物質。板擦與黑板系統采用靜電除塵板擦系統。最終避免了粉筆在書寫過程中產生大量粉塵，以及板擦能力不強，易揚起粉塵的問題。實現了無塵板書教學系統，見圖5、圖6、圖7。

圖5 改進粉筆隔膜剖面

圖6 改進粉筆最終模型

圖7 改進黑板模型

4 結束語

本文運用了TRIZ 理論及其解決問題的方法，對傳統板書教學系統進行了改進與設計。運用TRIZ 工具對原系統中的部件進行了分析，找到系統存在的關鍵問題，并通過矛盾求解明確解決方法類型后確定解決方案對其存在的矛盾問題進行求解。通過對多種方案進行測評與組合，獲得了無塵教學系統的設計方案。