基于TRIZ 理论的机械基础创新实验教学体系的构建

2010-02-26胡一丹庾在海

装备制造技术 2010年2期

江帆，孙骅，胡一丹，庾在海

（广州大学机械与电气工程学院，广东广州510006）

机械基础系列课程，是工科院校覆盖面广的主干课程，所涉及到实验课程主要培养工科学生具有丰富的实验思想、方法和手段，同时能提供综合性很强的基本实验技能训练，是培养学生机械设计、研究、开发能力的一个重要环节，为培养新时期自主创新人才和研究型工程创新人才奠定坚实的基础。同时，在培养学生严谨的治学态度、活跃的创新思维、理论联系实际和适应科技发展的综合应用能力等方面，具有其他实践类课程不可替代的作用[1]。因此，研究适合机械创新人才培养的机械基础实验体系，具有重要意义。本文将TRIZ理论（TRIZ是俄文Т е о р и и Р е ш е н и я И з о б р е т а т е л ь с к и х З а д а ч的英文音译Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch的缩写）引入到机械基础实验体系构建中，建立机械基础创新实验教学体系。

1 我国高校机械基础实验体系改革进展

1.1 传统机械基础实验体系存在的问题

传统机械基础实验体系，基本上是根据教学基本要求来配置实验，并且很多是单一的验证性实验，学生对实验准备过程和实验方法步骤的设立，缺乏必要的思考和理解，实验在被动中进行，得不到全面系统的训练，更不能得到创造性和综合性的训练。实验教学存在以下问题：

（1）每个实验都有固定的指导书，包括实验目的、实验设备、实验原理和方法、实验步骤，甚至还包括实验报告的格式等。学生只需按部就班就可以完成实验。学生的思维和行为方式都被固化为统一的模式。没有自己思考和创造的空间，很难激发学生的求知欲。

（2）实验教学模式单一，且完全按教师的安排进行，学生的主动性和创新性很难得到发挥。

（3）随着科技的快速发展和学生知识结构的变化，实验内容中没有增加相关领域的新知识和新技术，综合性、设计性实验较少，同时容易挫伤学生的专业兴趣。实验侧重于验证理论，学生不能从实验中探求未知、研究和创新。

（4）实验仅作为课堂教学的附属，课程成绩不能反映学生的实验能力和水平；导致实验本身缺乏吸引力，从而挫伤了学生进行实验的积极性和主动性，客观上助长了重理论、轻实验的错误观点，影响了实验教学的效果。特别是由于实验过程中没有提供实验设计、研究条件，所以也就谈不上通过实验使学生探求未知、培养研究能力和创新能力[2]。传统机械基础实验教学体系培养的学生毕业工作后，很难面对企业生产中专业技术的实际问题，提不出有价值的技术方案，更谈不上用创新思维解决技术问题和创新设计了。因此要进行实验教学体系的改革，增强学生的动手能力、思考能力和创新能力。

1.2 高校机械基础实验体系的改革现状

目前，一些高校对机械基础实验体系进行较大改革。例如北京航空航天大学，改革了机械基础实验教学体系，拓展学生对机械设计对象形态、组成、结构及工作原理的认知和理解。构建新的实验教学包括四大模块：工程技能培养模块，工程对象认知/理解模块，工程设计/分析测试能力，工程创新设计能力，共32个实验项目，综合性、设计性实验比例为50%[1]。

重庆交通大学构建基于新质量观的机械基础实验教学体系，使学生具备相当的专业综合素质、实践动手能力和创新能力，建立了完善的实验教学内容，由24个实验项目组成，其中综合性、设计性实验比例为63%[3]。

海军航空工程学院进行了以培养创新能力为目标的机械基础实验教学体系改革，采取措施激发学员的主动性和创新性，实验体系有5个大项：基础力学实验、机械设计实验、机械性能测试实验、机械系统效率测定实验、机械工程材料实验，共20个实验项目，综合性、设计性实验比例为75%。

还有很多高校进行了机械基础实验体系的改革，从国内高校机械基础实验体系改革来看，都在强调增强学生的创新能力，但没有提到创新思维的理论指导。广州大学机械与电气工程学院将TRIZ理论融入机械基础实验体系改革中，以系统的理论来指导学生在实验中的创新。

2 TR I Z理论及其在机械实验教学体系中的应用

2.1 TR I Z理论简介

TRIZ理论是G·S·Altshuller为主的前苏联科研人员，通过对数百万件发明专利分析、研究和综合多学科领域知识的基础上，形成的理论体系。TRIZ理论提出用39个通用技术参数来描述问题，通过这39个通用技术参数，可以将一个具体问题表达为一个TRIZ问题。

这些通用技术参数是：运动物体的重量，静止物体的重量，运动物体的长度，静止物体的长度，运动物体的面积，静止物体的面积，运动物体的体积，静止物体的体积，速度，力，应力或压力，形状，温度，光照度，功率，结构的稳定性，强度，可靠性，测试精度，制造精度，可制造性，可操作性，可维修性，适应性及多用性，装置的复杂性，监控与测试的困难程度，自动化程度，生产率，运动物体作用时间，静止物体作用时间，运动物体的能量，静止物体的能量，能量损失，物质损失，信息损失，时间损失，物质或事物的数量，物体外部有害因素，物体内部有害因素。

同时，TRIZ理论提炼出40个最重要的、具有普遍用途的发明原理，这40个发明原理按照序号1～40分别为：分割，抽取，局部质量，增加不对称性，组合合并，多用性，嵌套，重量补偿，预先反作用，预先作用，事先防范，等势性，反向作用，曲面化，动态化，未达到或过度的作用，维数变化，振动，周期性作用，有效作用的连续性，减少有害作用的时间，变有害为有益，反馈，借助中介物，自服务，复制，廉价替代品，机械系统替代，气压或液压结构，柔性壳体或薄膜，多孔材料，改变颜色，同质性，抛弃或再生，物理化学参数变化，相变，热膨胀，加速氧化，惰性环境和复合材料。

在产品改进过程中，如何选用上述发明原理来指导改进工作，TRIZ理论提出了矛盾矩阵，该矩阵将上述的39个通用技术参数与40个发明原理建立对应关系，很好地解决了改进过程中如何选择发明原理的难题[4]。

2.2 TR I Z理论在机械实验教学体系中的应用

当前，机械基础实验教学体系需要大力培养学生的创新思维与创新能力，从上面的介绍看到，TRIZ理论是一个系统地指导人们创新和解决各种问题的理论。TRIZ理论在机械基础实验教学中有三方面的应用。

（1）TRIZ发明原理直接应用机械基础实验教学体系中。TRIZ理论的40条发明原理可以直接指导学生进行创新设计，解决一些实验中碰到的问题。例如在机构创新组合实验中，可以用组合合并、分割、嵌套、替代等发明原理，解决如何使设计的机构达到机构功能要求的问题。

（2）TRIZ理论中的冲突解决原理，为教师和学生提供实验过程各种冲突的解决指南。TRIZ理论的主体部分是解决冲突，对解决物理冲突和技术冲突都有一整套比较规范的流程，如图1所示，技术冲突解决的基本过程为：冲突的分析，冲突的标准化描述，查阅TRIZ理论冲突矩阵，找到相应的发明原理，根据对应的发明原理进行冲突的求解。TRIZ理论解决冲突的关键，是冲突的分析与冲突的标准描述。

（3）TRIZ理论系统进化理论、物质-场分析、ARIZ算法等作为进阶创新实验的指导思路进行问题求解，如创新轴系组合设计中物质-场分析能为密封圈磨损有害作用消除提供标准解法。机械基础实验中碰到的实际问题很多，有时不一定是冲突问题，而有些是系统改进、有害作用消除、复杂非标准发明问题，应用产品系统进化论、物质-场分析、ARIZ算法可以较好地解决。

图1 技术冲突解决流程

3 基于TR I Z理论的创新实验教学体系的构建

为了激发学生的创新热情，引入TRIZ理论，构建机械基础实验教学体系如图2所示，实验体系由验证性实验、设计性实验、综合性实验、创新性实验组成，其中创新性实验主要突出创新能力培养。

图2 机械基础实验教学体系

本实验体系中增加的创新性实验，分别是机构创意设计实验、组合式轴系设计实验、机械系统创意设计实验。

其中机构创意设计实验，主要是对常见的机构进行创意组合，由学生自己设计机构用途，设计机构简图，最后根据简图搭建机构，并分析其合理性。

组合式轴系设计实验，主要是提供一定数量的齿轮类、轴类、套筒类、端盖类、支座类、轴承类等，学生进行圆柱齿轮、圆锥齿轮和蜗杆轴系的结构创新设计，解决轴承类型选择、轴上零件的定位、轴承安装、间隙调整、润滑和密封等问题，并进行结构图绘制，受力分析等，解决其中的一些矛盾与冲突。

机械系统创意设计实验，是要求学生按照一定的设计要求，设计一个机械或者一个简单系统，并进行一个完成的设计，包括功能原理分析、力的分析、强度计算与校核等。

在创新性实验中，指导学生充分采用TRIZ理论进行创新设计。例如，例如设计一种创新性螺丝刀，希望能够快速省力。采用TRIZ理论进行求解过程为：首先分析这个题目的工程特性，在39个标准参数中找到合适的描述，即“＃10力”、“＃25时间损失”、“＃33可操作性”作为改善的工程特性。对于工程特性“＃10力”出现率较高的发明原理有：参数变化、预操作、状态变化、热膨胀、动态化、分隔、分离等；对于“＃33可操作性”出现率较高的发明原理有：分隔、反向、分离、参数变化、动态化、维数变化、等势性等。根据这些发明原理，可以设计出许多创新的螺丝刀出来（如图3所示）。

图3 螺丝刀创新设计实例[5]

在实践中，这些创新性实验仅给出实验项目，要求学生自己调研、查阅参考文献、确定具体的实验方法、讨论并确定实验的实施方案、确定具体的实验步骤、参照TRIZ理论解决实验中的具体问题获得创新解、相关实验装置设备准备及实施实验、写成实验报告，通过这些流程锻炼学生独立思考、团队协助、创新思考的能力。这个过程中教师要注意引导，适当的时机给予提示，主要还是放手让学生自己动手。