運用TRIZ理論探索并解決化工原理實驗教學中存在的若干問題

左士祥，孫雪妮，韶暉

（常州大學 石油化工學院，江蘇 常州）

化工原理課程體系由化工原理、化工原理課程設計、化工原理實驗三個教學環節組成。化工原理課程是高校大化類專業的核心專業基礎課，是連接基礎知識與工程應用的紐帶[1-2]。化工原理實驗教學則是必修基礎技術課，是整個體系中十分重要的實踐環節。化工原理實驗不僅是對理論教學內容的驗證，還可以幫助學生樹立正確的工程觀念、培養學生分析和解決實際問題的能力、加強學生的實踐能力[3]。

2017年2月，教育部開始積極推進新工科建設，以形成領跑全球工程教育的中國模式[4]。在“新工科”的建設背景下，各大高校開始積極開展化工原理課程體系教學改革的探索，以滿足我國對工程人才的需求。現階段，在實驗教學改革方面，大部分教師還是依賴自身教學經驗去發現問題、解決問題。雖然這些探索對化工原理實驗教學改革有一定的促進作用，但也存在一些明顯的弊端。例如：我們只能依靠教師每次發現了問題之后再去逐一解決，而不能科學、系統地去分析問題，防患于未然；若發現的問題過于零散，教師可能需要數次嘗試才能找到解決問題的有效方法，等等。

TRIZ是俄文Teoriya Resheniyva Izobretatel’skikh Zadatch的縮寫，意思是發明問題解決理論，由阿奇舒勒于1956年創立[5]。TRIZ理論源于工程技術領域，從發展至今已經成為一套有效的科學理論，讓人們不用再盲目地去尋找方法，讓解決問題變得有規律可循。本研究首先借鑒了TRIZ理論中的分析方法，采用功能分析對自定義的化工原理實驗教學體系進行問題識別。之后采用因果鏈工具篩選提煉出一些關鍵性問題，最后針對這些關鍵問題，采用物—場模型，從TRIZ的標準解系統中有針對性地去尋找解決方案。本文科學分析、識別了化工原理實驗教學中所存在的問題，針對一些關鍵問題給出較合理的解決方法，對“新工科”背景下教育教學改革進行了一次有效的探索，也為工程學科的教學改革提供一個科學的分析方法。

一 深入分析化工原理實驗教學存在的問題

TRIZ理論解決問題的經典過程可分為三個步驟，分別是：問題識別、問題解決和概念驗證[6]，如圖1所示。問題識別階段，將針對一個工程系統展開較全面的分析，從而得出一系列關鍵問題；在分析出關鍵問題之后，就進入問題解決的環節。在此階段將關鍵問題轉化為一些問題模型，然后產生解決方案；最后，在概念論證環節，針對上一階段得出的解決方案進行可行性評估，最終篩選出最佳解決方案。TRIZ理論為每一個階段都提供了一系列的工具作為支撐，可根據具體問題來選擇所需要的TRIZ工具[7]。在問題識別階段，主要有功能分析、流分析、因果鏈分析、進化趨勢分析等多個工具。其中，功能分析工具是一個經典的問題分析工具，也是后續許多TRIZ工具的基礎。功能分析又可分為三部分，即組件分析、相互作用分析和功能模型。運用功能分析工具可以識別出各種系統中的組件，分析組件的特點及組件之間的相互作用，并建立模型評估每一個組件的性能，最后根據評估結果確定有性能問題的組件。

圖1 TRIZ理論解決問題的一般步驟

（一） 組件分析

第一步，我們先借鑒TRIZ的概念來自定義一個符合化工原理實驗教學的體系。整個教學體系被稱為一個超系統，里面包含了一個工程系統和若干個超系統組件。其中，工程系統是我們的研究對象合集，而超系統組件則是被研究對象之外的組件。在化工原理實驗課程中，教師和學生是實驗教學改革的主體，也是教改的主要研究對象，即工程系統中的組件。而實驗原理、實驗操作、實驗結果及實驗問題，雖然不是我們教學研究的主體，但他們都與研究對象及教學成果有著相互影響，因此它們就被定義為超系統組件。至此，我們就完成了對化工原理實驗教學體系的組件分析。

（二） 相互作用分析

第二步，在組件分析后，我們便可以進行相互作用分析，識別出各組件之間的相互影響。我們針對前面所定義的化工原理實驗體系中的各組件進行分析，得到一個相互作用矩陣，如表1所示。在這個矩陣中將各組件列出，之后兩兩分析看二者有無相互作用，如果兩者有相互作用，則以“+”來標記，否則以“-”來標記。需要注意的是，這里的相互作用并不是單純地只有實體接觸，若存在場作用也被認為是有相互作用的。例如：教師和實驗原理之間，雖然沒有實質性接觸，但是教師需要通過描述或畫圖舉例對實驗原理進行講解，這其中就有聲音、視覺等“場”的作用，那么我們就認為教師和實驗原理之間是存在相互作用的。在得到相互作用分析矩陣后，表格中有“+”標記的意味著可能存在功能。

（三） 功能模型建立

第三步，我們針對表1中每一個標注有“+”的單元分析具體功能，并給這些功能進行分類。依照TRIZ理論功能分類標準，根據功能的不同作用對象，我們給出化工原理實驗教學體系中的相互作用的功能及功能的性能水平，如表2所示。將表2進行圖形化后就得到功能模型圖（圖2），從圖中我們就可以一目了然地對實驗教學體系有一個整體的了解，也可以馬上發現體系中存在的問題。通過功能分析，我們發現化工原理實驗課程系統中存在較多的不足功能，包括：教師在原理方面的講解不夠深入、學生對實驗操作的完成度偏低、學生分析實驗結果和問題討論的能力不足等。而有害的功能則有：學生對教師的過分依賴以及學生錯誤實驗操作導致的實驗問題。

圖2 化工原理實驗系統功能性能表

表1 化工原理實驗系統相互作用分析表

表2 化工原理實驗系統功能性能表

（四） 分析挖掘教學關鍵問題

通過功能分析能找到性能不足或者有害的組件，接下來，我們將采用因果鏈工具進行深層分析，形成如圖3的鏈式分析圖并挖掘出潛在的關鍵問題。根據之前的分析，化工原理實驗現階段存在的表面問題（或初始缺點）是實驗教學效果差，導致這一初始缺點的直接原因有兩個，一方面是實驗課上學生對實驗操作的完成度較低，另一方面則是實驗完成后同學們缺乏對問題的分析和解決能力。這兩個問題就是處于第二層的缺點。之后針對這兩個問題，繼續挖掘下一層直接原因。例如：為什么同學們對于問題的分析和解決能力存在不足？引起這一問題的原因可能是理論基礎薄弱，也可能是理論應用能力欠缺，也可能是缺乏工程觀念等等。我們重復上述步驟，一層層向下挖掘更深層的問題，并結合具體項目找出末端缺點。

從分析結果看出，引起實驗教學效果不足的原因很多，有些是學生本身的原因，有些是教師引起的，還有一些是客觀因素。我們通過篩選列出幾個關鍵性的問題：①學生對于化工原理實驗的重視性不足，從而造成同學積極性不高，對實驗操作及后續的結果分析討論敷衍了事；②教師在實驗過程中過度指導，導致同學過分依賴老師，而缺少了自己動手探索的過程；③客觀因素，比如實驗課課時較少，時間不夠，裝置不能與時俱進。

二 解決化工原理實驗教學的關鍵性問題

分析完體系中存在的問題后，我們開始著手尋找有效的解決方案。在此，我們選擇的是借鑒TRIZ理論中的物—場模型。基于物—場模型，一個完整的體系至少應該由三個基本元素構成，包括兩個物質（substance）和一個場（field）。其中，S1為被生產、被控制、被測量的物質；S2為進行生產、控制、測量的物質；F為這兩種物質之間的作用。

圖3化工原理實驗教學問題的因果鏈分析物一場模型共有四大分類：①有效完整模型；②不完整模型；③非有效完整模型；④有害效應的完整模型[8]。TRIZ對于后面三種模型，給出了一系列標準解法。在化工原理實驗教學體系中：S1為學生，S2為教師，F為教學場。顯然，教學過程中存在著有害的效應，即功能的3個元素齊全，但產生了與設計者所追求的效應相左的、有害的效應。教師的過度指導造成了學生的依賴性，降低了學生的工程實踐能力。對于這一有害效應，我們嘗試應用TRIZ理論中的標準解12對此體系進行改進[9]。基于標準解12的提示，我們可以搭建化工原理實驗網絡課程平臺，同學們通過觀看微課視頻來了解實驗的原理、設備、工程原型等等。此外，以我校的化工國家級虛擬仿真實驗教學中心為依托，還可以嘗試采用虛擬現實技術VR讓同學們實景沉浸體驗虛擬實驗操作。這不但能降低學生對于教師的依賴性，還能調動學生的積極性和主動性。

圖3 化工原理實驗教學問題的因果鏈分析物

此外，學生分析、解決問題的能力偏弱也是造成實驗教學效果不好的一個重要因素。此時，學生與實驗問題形成的是一個非有效完整模型。在此，我們嘗試應用標準解14來對教學系統進行改性，即將單一的物—場模型轉化為鏈式物—場模型。基于標準解14的提示，化工原理教學體系應該是一種鏈式物—場系統，即由理論教學、實驗驗證和實踐環節共同組成，且層層遞進，形成一個完整的教學鏈。所以在前期化工原理課程的教學中，授課教師需要注重在理論教學中多結合實際工程案例，以進一步加強學生的工程觀念。

三 結語

本研究創新借鑒了TRIZ理論中的分析方法去科學識別高校化工原理實驗教學中存在的問題，針對一些關鍵問題給出較合理的解決方法，對“新工科”背景下教學改革進行了一次有效的探索。在未來的化工原理實驗教學中，我們將繼續貫徹“新工科”的教育理念，利用現代化教學手段，全面提高學生的專業知識、實踐能力和創新意識。