TRIZ技術矛盾解決理論在環境工程教學中的應用*

包呈敏，包愛國，陳玉珍

(1 呼和浩特民族學院，內蒙古 呼和浩特 010051；2 內蒙古農業大學，內蒙古 呼和浩特 010010；3 中央民族大學，北京 100091)

1 TRIZ理論的由來及其在我國教育教學實踐中的應用

TRIZ是俄文Teoriya Resheniyva Izobretatel’ skikh Zadatch的縮寫，意思是發明問題解決理論，由根里奇·阿奇舒勒于1956年在前蘇聯創立。他做專利評審時發現，發明和創造是有規律可循的，于是他和弟子們對數以萬計的專利文獻進行研究整理，抽取了不同領域不同發明問題中相同的規律，總結出TRIZ理論和方法體系[1]。

TRIZ的發展經歷了三個階段：(1)創立階段，這個時期主要是完善TRIZ體系，并在蘇聯得到少量應用；(2)傳播階段，20世紀90年代，TRIZ傳播到美國、歐洲、亞洲，被寶潔公司、三星公司等作為新產品開發的指導理論；(3)應用階段，2005年以來，被更多世界知名公司如通用電氣、西門子、英特爾等引入，TRIZ解決問題工具在員工培訓和新產品研發中起到了重要作用。

TRIZ理論進入中國，要追溯到1985年《發明程序大綱》一書的出版[2]。2005年以后逐漸被引入企業、高校被廣泛應用。目前，在教學研究方面，已經從最早的河北工業大學、東北林業大學等開設試點課程，發展到現在，多所高校都開設TRIZ理論必修課或選修課。

然而，實踐證明，以傳授知識為中心來進行“創新方法”類課程效果并不理想，達不到讓學生掌握和運用創新方法的目的[3]。因此，2017年創新方法工作專項“多層次多模式的高校創新方法人才培育體系建設與示范”中提出專創融合型課程這一概念，提倡將專業能力與創新方法運用能力相結合。隨著教學實踐的推進，TRIZ理論以其在機械類和工程類技術問題中的獨特適用性，指導的項目已經在各種大學生創新類比賽中嶄露頭角，教學實踐中的經驗方法和成果也不斷被總結出來[4-6]。

2 《環境工程學》教學中的問題

《環境工程學》是環境工程專業主干課程。目前《環境工程學》課程教學中主要存在的問題有：

(1)學生被動學習，學習效果差。《環境工程學》知識點比較多比較雜，學生對這門課有畏難情緒。在教學過程中，極少有學生能夠主動思考，多數學生對老師的提問都是直接翻書找答案或求助于網絡。這種不經思考得到的知識和答案很容易被學生遺忘，學習效果差。

(2)課程實踐方法單一。《環境工程學》是一門實踐性很強的課程，涉及大量工程技術原理和設備運行方式。目前國內高校一般采取同步實驗和工廠見習實習的方式進行實踐。然而，這兩種方式都是在理論課之后進行。期間可能相隔幾天、幾個星期甚至幾個月。這個過程，學生早已對理論課所學印象模糊甚至遺忘。

(3)能力沒有得到充分地培養和鍛煉。工程類專業學生一般對實驗課所學知識掌握得比較扎實，在步入工作崗位之后面對實驗相關工作時也會更加自信、從容。對理論課所學知識卻沒有信心，甚至感覺什么也沒學會，究其根本，還是在理論課學習過程中，分析問題和解決問題的能力沒有得到充分地培養和鍛煉。

針對，上述問題，需要對課程的教學方法進行改革，讓學生掌握解決問題的工具，方能讓他們主動思考，動手實踐，培養和鍛煉分析問題、解決問題的能力。

3 TRIZ技術矛盾解決理論

《環境工程學》課程內容中包括了較多工程矛盾問題，例如要提高某個設備或者某種材料的性能，但是增加了成本或者增加了占地面積等。傳統的解決方法，往往是采用折中的方案，通過反復實驗，找出最佳條件。然而，這種方法并沒有從根本上解決問題，工程中的矛盾依然存在。如果能將TRIZ的技術矛盾解決理論應用到《環境工程學》的工程矛盾問題中，在教學過程中，一步步引導學生主動思考，動手實踐，則有可能找到具有創新性的解決方案，也能夠培養和鍛煉學生分析問題和解決問題的能力。

TRIZ技術矛盾解決理論是指：在解決工程技術問題時，往往遇到這樣的情形，為了達到某種目的，需要改善某個參數，但是同時卻惡化了另一個參數。例如如果增加機翼的尺寸，那么能提高飛機的升力，但是飛機的重量會增加。這就是技術矛盾，一般用“如果……那么……但是……”來描述[1]。

阿奇舒勒對數量眾多的工程參數進行一般化處理，總結出39個通用工程參數，并編為39行×39列的矛盾矩陣。技術矛盾由包含改善參數行和包含惡化參數列的交叉單元表示，每個單元中的幾個數字為40個發明原理的編號，發明原理的提示可以幫助我們解決技術矛盾。

4 教學實踐——淺池沉降原理

淺池沉降原理是污水沉淀過程中提高沉淀效率的一個重要指導原理，是《環境工程學》課程的重點內容。它指的是，沉淀池越淺，就越能縮短沉淀時間，即提高沉淀效率。依據淺池沉降原理，污水處理廠若要提高污水沉淀效率，就應該將沉淀池設計的盡量淺。然而同時帶來的問題是，比較淺的沉淀池，其處理能力不能滿足設計流量。而如果設計很多個比較淺的沉淀池，占地面積又隨之增加，對污水處理廠來說都是不可取的。

針對這種情況，污水處理廠一般采取斜板(管)沉淀池來解決。即設置一排斜管或斜板于沉淀池中，降低沉淀池各區域有效水深的同時，不改變沉淀池的總體結構和處理能力[7]。詳見圖1、圖2。

圖1 普通沉淀池Fig.1 Common sedimentation tank

圖2 斜板(管)沉淀池Fig.2 Inclined plate (tube) sedimentation tank

4.1 教學現狀

針對這一知識點，當前普遍的教學方法有兩種。一種是先總體介紹沉淀池的分類，講到對應章節時，先介紹斜板(管)沉淀池，再講解淺池沉淀原理。另一種是先講解淺池沉淀原理，再拋出問題“如何在不增加沉淀池占地面積的同時，提高沉淀效率？”，給學生一定的思考空間，經過一番思考和討論后給出解決方法，即斜板(管)沉淀池。后者顯然更符合現代教育啟發式的教學理念。但是，沒有一個有效的解決問題的方法和工具時，大多數學生在這個教學過程中依然沒有進行主動的有效的思考，而是傾向于向書本或者網絡上尋找現成的答案。

4.2 TRIZ教學實踐

針對教學過程中出現的，學生缺乏解決問題的方法和工具的情況，嘗試采用TRIZ理論中的技術矛盾解決理論來解決。并分別于2019年11月至12月，在呼和浩特民族學院2018級環境工程1、2班和2018級水質科學與技術1、2班，2020年9月-10月，在呼和浩特民族學院2019級環境工程1、2班和2019級水質科學與技術1班，進行教學實踐。在學習淺池沉降原理之前，上述4個班的同學均已選修《TRIZ創新方法》課程，并掌握了技術矛盾和矛盾矩陣工具的使用方法。

按照如下步驟教學：第(1)步，使用TRIZ理論工具之前，先講解淺池沉降原理，即沉淀池越淺，就越能縮短沉淀時間，越能提高沉淀效率；第(2)步，拋出問題“如何在不增加沉淀池占地面積的同時，提高沉淀效率？”；第(3)步，引導學生從上述問題中提煉技術矛盾，并嘗試采用矛盾矩陣和發明原理找到解決方案。

表1 參數轉化表Table 1 Parameter conversion table

教學實踐中，學生從不同角度思考，選取不同的工程參數，提煉出了不同的技術矛盾。其中，出現最多最典型的為“如果增大沉淀池占地面積并降低沉淀池高度，那么能夠提高沉淀效率，但是占地面積變大了。”其中，改善的參數為沉淀效率，惡化的參數為占地面積。將這對參數轉化為通用工程參數，如表1所示。

利用矛盾矩陣查得該技術矛盾指向的交叉單元中提示的發明原理為發明原理10，35，17，7，如表2所示。各發明原理詳細解釋見表3所示。

表2 矛盾矩陣(部分)Table 2 Contradiction Matrix (excerpt)

表3 發明原理的解釋Table 3 Explanation of Invention Principles

4.3 解決方案

在上述發明原理的提示下，學生通過分組討論形式得出的比較成熟可行的解決方案主要有兩類。

(1)設置預沉淀池或沉砂池。根據發明原理10預先作用原理的提示，在沉淀池前設置預沉淀池或沉砂池，將污水中的粗大顆粒先快速地沉淀下來，將細顆粒用沉淀池進行沉淀，從而降低沉淀池占地面積，提高沉淀效率。詳見圖3。

圖3 帶前置沉砂池的沉淀池Table 3 Sedimentation tank with detritor in front

(2)采用多層結構或斜板(管)沉淀池。根據發明原理17空間維數變化的提示，在不改變現有沉淀池設計尺寸的前提下，將沉淀池設計為兩層或多層結構(詳見圖4)。并將多層結構傾斜放置，即斜板沉淀池。為提高斜板沉淀效率，進一步增加維數，采用斜管沉淀池(同圖2)。

圖4 雙層沉淀池Table 4 Two layer sedimentation tank

5 結 語

(1)學生通過TRIZ理論工具找到了解決工程技術問題切實可行的方案。在教學實踐中，學生通過TRIZ理論工具找到的方案，恰好是當前污水處理廠的普遍做法。證明TRIZ理論的確能夠指導我們解決工程技術問題中的矛盾。

(2)學生通過TRIZ理論工具找到了創新性的解決方案。在教學實踐中，除了4.3中提到的解決方案之外，有個別學生還得出了更具創新性的解決方案。目前，針對其中兩個可行方案正在進行設備改進和性能測試。方案成熟后將申請專利。

(3)學生通過TRIZ理論工具的應用培養了多方面能力。在整個教學實踐過程中，學生由于有了TRIZ這一解決問題的工具，改變了以往對這類問題無從下手的狀態，建立了自信，學習過程中通過主動思考，分組討論等形式，培養和鍛煉了團隊協作能力、分析問題和解決問題的能力。

總體而言，這種教學實踐真正做到了啟發式、交互式的教學，為學生打下扎實的專業課基礎的同時，對學生建立自己的學習方法體系，以及今后的工作中解決實際問題都有著深遠的影響。TRIZ理論工具在《環境工程學》課程教學中這次初步的實踐取得了預期效果，深入研究，覆蓋本課程的全部重難點知識，并形成完整的課程內容設計后，該方法值得進一步推廣。