TRIZ 理論在機械原理實驗教學中的應用研究

單 泉，陳 硯，馬廉潔，畢長波

（1.東北大學秦皇島分校 控制工程學院，河北 秦皇島 066004；2.東北大學秦皇島分校 教務處，河北 秦皇島 066004）

近年來，我國新工科建設和工程教育專業認證工作快速推進，機械類專業人才培養任務也越來越重。2019年4 月教育部發布《關于實施一流本科專業建設“雙萬計劃”的通知》，明確指出著力提升學生解決復雜工程問題的能力，注重綜合性項目訓練。機械原理課程是機械類專業一門重要的專業基礎課，是連接基礎課與專業課之間的橋梁，主要培養學生掌握各種機構和機器所具有的一般共性知識，掌握一些常用機構的性能和設計方法并具有初步的機械系統方案的設計能力，該課程為學生畢業后從事有關機械方面的設計、制造、開發及研究工作奠定重要的基礎。機械原理課程的實踐性很強，該課程實驗亦是重要的實踐性教學環節，與理論教學有密切的聯系，可以很好地加深和鞏固課堂理論教學中的某些抽象概念和原理，有效開拓學生的思維并且訓練學生的動手能力、綜合分析問題能力和創新設計能力，對后續學習專業課程、課程實踐以及畢業設計極為重要，同時對培養學生的創新思維和綜合素質起著關鍵作用。

目前機械原理實驗教學普遍存在下面幾個問題：一是實驗設備陳舊，部分設備已經陳舊老化，準確性、穩定性和可靠性不夠，并且隨著時間的推移，部分設備可能損壞，可以滿足使用要求的實驗臺套數將減少，較難滿足實驗教學要求；二是實驗教學方法老舊、枯燥，大部分實驗都是按照實驗指導書規定“按部就班”進行操作就能完成，學生的思維和行為方式都是統一的模式，此外只強調實驗操作而忽視實踐環節，學生的動手實踐能力培養不足；三是實驗內容驗證性的偏多，不但限制了學生獨立思考和創造的空間，而且實驗報告內容基本一致，實驗成績差別不明顯，體現不出學生真正的實驗水平和實驗能力，因此學生實驗學習的熱情不高。目前，機械原理課程實驗教學所采用的主要解決方法是從軟硬件深入使用或更新、授課方法和內容改進、實驗考核方式改革等方面入手，具體可以歸納到如下幾點：一是實驗室軟、硬件的更新改造，如淘汰和更新實驗室的陳舊設備并適當購買一些新的實驗設備，或利用現有的CAD/CAE 軟件并結合虛擬仿真等技術，開發一些計算機虛擬仿真實驗項目，這樣既可以彌補實驗硬件上的不足，還可以讓學生隨時隨地進行網絡虛擬實驗學習，給學生提供更多的學習時間和空間；二是拓展授課方式，除了課堂講授以外，還可以借助網絡讓學生進行學習，如將實驗指導書、實驗課件和實驗設備等資源上傳到教學網站上，學生可以對實驗進行預習和思考，提高現場實驗的效率和效果，另外還可以開放實驗室，將課內實驗與課外開放性實驗結合起來，增加動手實踐環節，如利用實驗室現有條件，讓學生以研究小組的形式對簡單機械設備進行拆裝解剖分析，了解機器的組成、結構、工作原理及各構件的運行情況，這樣實驗不再受固定時間限制，讓有興趣和余力的學生充分發揮自己的能力，進行一些綜合性、設計性、創造性實驗；三是更新教學內容，將驗證性實驗向綜合性實驗轉變，比如將機構運動簡圖的測繪實驗轉化為機構運動設計及演化實驗，掌握機構的基本組成和各種演化手段，調動學生研究機構知識的積極性，此外還可將實驗項目內容和科研項目內容、科技競賽內容相結合，積極將競賽作品、科研成果向教學資源轉化，從而拓寬學生的視野，提高學生對實驗課程的學習興趣；四是改革考核方式，例如可適當進行項目式考核，具體可以機構設計項目為例，讓學生運用所學知識自行設計一種機構，包括方案設計、自由度計算、運動分析等，最后需要在實驗室自行把設計機構拼裝出來，教師據此給出實驗成績，可以很好地解決成績差別較小的問題，從而引起學生對實驗課程學習的重視，有效地提高學生實驗學習的主動性和創造性。

上述各種實驗教學改革措施都有利于培養和訓練學生的創新實踐能力，能夠更好地滿足現代科技發展的需要，特別是一流本科建設“雙萬計劃”的培養要求。但是，每個學校的實際情況都不一樣，實驗教學改革必須立足本校的實際情況，需要仔細分析研究本校自己的情況，再去選擇適合自己的措施并將其細化，才能真正有效地提高實驗課程的教學效果和教學質量。本文基于上述思想，首先分析了本校機械原理課程實驗教學的現狀和問題，然后使用TRIZ 理論得到推薦的發明原理，接著結合本校的具體情況將發明原理映射到具體的解決措施，最后將這些措施應用到機械原理實驗課程教學之中，實踐結果證明本教改實施方案的可行性和有效性。

一、本校機械原理實驗教學現狀

本校機械工程專業成立于2007 年，機械原理課程實驗的教學情況如下：現有的機械原理課程實驗課時較少，該課程總授課為54 學時，其中實驗授課為8 學時；課程實驗設備較為陳舊，實驗項目有限，之前能開設的機械原理實驗項目有平面運動機構分析、機械效率測試和創新運動機構設計分析，這些項目大多為基礎性、驗證性實驗，實驗成績區分不明顯；此外，限于實驗授課教師的計算機程序開發水平有限，目前未能提供網絡虛擬仿真實驗項目。綜上所述，本校機械原理課程實驗的主要問題：課時較少，項目有限，該情況和提高學生的動手能力、綜合分析問題能力和創新設計能力存在著明顯的矛盾。如何解決上述矛盾，找到適應于本校具體情況而且能夠進行操作的解決方案，需要進行具體深入的研究分析。因此，本項目擬使用發明問題解決理論（Theory of inventive problem solving，TRIZ）來指導并解決機械原理課程實驗教學中存在的上述主要矛盾。

二、TRIZ 理論及應用狀況

TRIZ 是一整套集哲學思想、方法論和大量工具于一體的解決發明問題的理論體系和方法，能創造出系統性的創新與改善設計者思考過程的方法論，其優勢就是善于解決復雜系統的各類矛盾。沖突分析是經典TRIZ中用新視角觀察問題的強有力方法。TRIZ 理論總結出39 個系統沖突對立的工程參數，并且提煉出了解決沖突的40 個發明原理，進而由39 個工程參數和40 個發明原理組成了TRIZ 沖突矩陣，可借助TRIZ 沖突矩陣來獲取發明原理，然后再將該發明原理映射為現實解。TRIZ 理論在機械原理實驗教學方面的應用較少，江帆等人利用TRIZ 的矛盾沖突分析方法，完成了實驗教學場地管理的問題，此外還將TRIZ 理論應用到實驗教學的內容、方法和手段之中，引導學生在實驗操作和實踐過程中使用TRIZ 理論解決各種問題，有效提高了機械原理實驗的教學效果以及學生的創新能力。

根據TRIZ 理論，表現為改善一個系統特征卻惡化另一個系統特征的沖突為技術沖突，技術沖突的解決過程：對一個初始的問題進行分析并提煉出要改善的通用工程參數和隨之惡化的通用工程參數（兩者構成技術沖突），然后利用沖突矩陣查找對應的發明原理，根據發明原理找到問題的解決方法。機械原理課程實驗教學中存在的技術沖突：延長實驗課時或者增加實驗項目，可以提高學生的分析和創新能力。但是，從目前專業培養計劃調整情況來看，機械原理課程學時數正在進一步壓縮，因此相應的實驗課時/項目數也在同步縮短，故實驗課時/項目的減少與學生分析和創新能力的增加形成矛盾沖突。根據上述情況，參考TRIZ 理論中的沖突分析方法，將“實驗課時/項目數”用工程參數No.15“運動物體作用時間”來表示，將“學生創新實踐能力”用工程參數No.35“適應性及多用性”來表示。因此，若以工程參數“適應性及多用性”為改善因素，以工程參數“運動物體的作用時間”為惡化因素，參考TRIZ 理論提供的沖突矩陣，可得如下所示的發明原理。

技術沖突矩陣所推薦的發明原理具體為：1“分割”、13“反向”和35“參數變化”。

三、發明原理分析及方案獲取

下面逐一分析找到發明原理的映射解。

（一）發明原理1：分割

“分割”原理的含義：將一個物體分成相互獨立的部分；使物體分成容易組裝及拆卸的部分；增加物體相互獨立部分的程度。根據“分割”原理釋義，首先對授課內容進行分割，課程的主要內容分為三大部分：機構的基本理論知識、常用機構性能及設計和機械方案設計部分。課程重要知識點包括機構運動簡圖繪制、機構運動分析和動力學分析，平面四桿、凸輪和齒輪機構的設計，機械系統方案設計等。根據內容分割得到的授課重點，找到實驗教學的重點內容，結合現有的授課學時和實驗教學設備，重構實驗課程結構和內容體系。機械原理課程中的機械系統方案設計內容主要在機械原理課程設計中進行考察，因此機械原理實驗課程的重點集中于前兩大部分內容，即機構和機器所具有的一般共性問題和常用機構的性能及其設計方法。因此，機械原理實驗教學的實驗內容主要有平面運動機構分析、機械效率測試、創新運動機構設計分析三個實驗項目共計10 個學時。但是，本校從2018 級機械工程專業的學生開始，機械原理實驗授課學時壓縮到8 個學時。隨著社會對學生創新實踐能力提出更高要求的形式下，課程實驗項目在實驗學時減少2 個學時的情況下，再次應用“分割”原理，對授課空間和授課時間也進行了分割，把原先的三個實驗項目學時從10 學時壓縮到6 學時，還增加了一個2 學時傳動機構創新設計分析實驗項目。實驗授課學時減少了但是實驗項目數量卻增加了，得益于對授課空間和授課時間進行了有效的分割。授課空間和時間分割的具體做法：通過網絡教學等措施，將實驗指導書、實驗設備介紹和實驗操作視頻等內容提前發布給學生，利用學生平時的零碎時間可以在任何地點進行實驗內容的預習，而在實驗課程教學的課堂上主要進行實際操作。因此，對授課內容、空間和時間進行分割，較好地解決了實驗授課學時減少而項目增加的問題，能夠有效提高學生的創新實踐能力。

（二）發明原理13：反向

“反向”原理的含義：將一個問題說明中所規定的操作改為相反的操作；使物體中的運動部分靜止，靜止部分運動；使一個物體的位置顛倒。根據“反向”原理釋義，具體應用到平面運動機構分析實驗中，采用反向原理推動學生自主學習。目前傳統的平面機構運動分析實驗中，需要在實驗報告中進行機構運動簡圖的繪制，隨后通常采用圖解法進行運動分析。圖解法直觀明了，但是過程繁雜，精度較差，特別是對多個位置進行分析則需重復的工作量較大，過程枯燥乏味，學生學習興趣不高，圖解法現已經較難滿足現代機構設計、優化的要求。因此，隨著計算機技術的發展，和計算機技術密切相關的解析法應用越來越廣泛，通過將實驗操作和計算機技術結合起來，能夠更好地培養學生使用現代計算技術解決復雜工程實踐問題的能力。根據“反向”原理，詳細研究了如何反向推動學生的學習措施。具體實施步驟是：首先對實驗重點內容進一步分析，找出最具有代表性的實驗內容，例如曲柄搖桿機構、曲柄滑塊機構、凸輪輪廓曲線等的設計分析實驗中，提供給學生一些基本的Creo實體模型和Matlab 的M 文件代碼，要求學生對此自行學習并掌握這些方法，從而反向推動學生進行三維建模軟件和Matlab 計算軟件的學習，學生通過使用計算機對上述典型機構進行設計分析，隨后將設計分析結果和圖解法結果進行對比，可以讓學生更好地理解并掌握機構分析設計方法，熟悉現代計算機技術在本課程中的應用。根據“反向”原理實施本措施推動學生反向學習的原因：在學生對三維實體建模及Matlab 的分析代碼編寫不熟悉的情況下，若完全讓學生從頭學習，要達到教學目標，不但難度大而且花費時間多，因此先提供一些典型基本機構的模型和分析代碼文件給學生，可以讓他們迅速學習這些技術并將這些技術應用到其他問題的解決，從而反向推動學生自主進行深入學習，使學生在實驗教學中成為積極主動的參與者，增強學生掌握知識的積極性和主動性。因此，探索典型實驗教學項目，在實物操作的基礎上提供計算機分析模型和代碼文件，反向推動學生進行自主、探索、發現的教學新模式，能夠有效提高學生的創新實踐能力和解決實際問題的能力。

（三）發明原理35：參數變化

“參數變化”原理的含義：改變物體的物理狀態，即讓物體在氣態、液態、固態之間變化；改變物體的濃度或粘度；改變物體的柔性；改變溫度；改變壓力。根據“參數變化”原理釋義，具體應用到機械原理實驗課程的教學中，讓學生在完成基本機構的實驗操作和計算機仿真分析后，接著改變實驗機構的參數或者增加實驗機構內容，再讓學生完成更加復雜的綜合性實驗的操作及相應的計算機輔助設計分析，可以更好地提高學生的創新實踐及復雜問題的解決能力。因此，根據“參數變化”原理，可以改變實驗參數來加深學生對實驗項目的學習。比如在傳動機構創新設計分析實驗項目中，通過Matlab Simulink 仿真軟件建立典型機構，例如曲柄搖桿機構的虛擬原型，實驗授課前后，可以先讓學生對該機構的虛擬原型進行運動或受力等方面的分析，并將仿真分析結果與傳統的解析法、圖解法的結果進行對比，然后變換相關參數，繼續在Matlab Simulink 仿真軟件中對這些機構虛擬原型進行不同參數的運動或受力的仿真分析，促使學生深入學習并掌握這些仿真分析技術。待學生熟練掌握了Matlab Simulink 仿真分析方法后，可以將該仿真分析方法推廣到其他機構、組合機構或創新機構的設計仿真分析中，特別是可以和大學生科技競賽活動或教師具體工程項目中的機構設計分析仿真結合起來，能夠更好地提高學生分析解決問題的能力。因此，基于“參數變化”原理，通過基于典型實驗教學項目虛擬原型不同參數的仿真分析，并以此為基礎完成綜合性實驗項目的設計、構建和仿真分析，能夠有效提高學生的創新實踐能力和實際工程問題的解決能力。

四、實際應用情況及成果

從2020 年初開始進行本教學改革實踐，通過在實驗教學中應用上述措施，有效提高了學生對機械原理知識的理解和掌握，對現代工程技術的掌握程度也有明顯的提高，且學生學習的主動性、積極性也有較大的改進。此外，實施本教改措施，在實驗項目、實驗學時、項目復雜度、科技競賽獲獎和科研活動參與等方面，也均有較大改進。機械原理課程實驗學時在減少2 個的情況下，由原來的驗證性實驗2 項和設計性實驗1 項變成了驗證性實驗2 項、設計性實驗1 項和綜合性實驗1 項，實驗項目的數量和復雜度均有所提高；在學生科技競賽方面，本教改實施后，學生在全國大學生機械創新設計大賽、全國大學生工程訓練綜合能力競賽等科技競賽中獲獎多項；此外，部分優秀學生進入到教師的科研活動中，有效地輔助完成了教師的科研工作并據此申請并獲得國家專利多項。

五、結束語

本文深入研究機械原理實驗教學中存在的學時/項目不足和學生能力要求提高的主要矛盾，使用TRIZ 矛盾沖突分析方法，得到了解決上述矛盾所推薦“分割”“反向”和“參數變化”三個發明原理，并結合本校具體的實驗教學情況，對上述三個發明原理進行了詳細的分析研究并得到了具體的解決措施。在機械原理實驗課程授課方案中，提高了設計性和綜合性實驗項目的比重。在實驗授課過程中，有目的地引入Creo、Matlab 等現代設計、分析軟件，提供一些典型機構的三維實體模型、M 分析代碼和虛擬仿真原型模型給學生，反向推動學生自主學習并掌握這些典型機構的分析、仿真技術等知識，并在此基礎上運用到其他機構、組合機構或創新機構的設計分析之中，從而讓學生更深刻地掌握課程的理論和實驗知識。本教改項目的實施不但鍛煉學生的基本操作技能，同時又提升其對先進現代設計工具的應用與掌握，有效提高學生的綜合分析能力、創新設計能力和解決工程實際問題能力。