《机械创新设计》课程中TRIZ理论教学的探讨

邓援超　刘小鹏

摘要：培养学生创新能力是《机械创新设计》课程中的重要任务，需要不断挖掘学生的创新能力。TRIZ使创新技法集成为理论体系。本文将案例教学法用于TRIZ理论的教学实践，并取得了较好的效果。

关键词：机械创新设计；TRIZ理论；案例教学

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2014）45-0157-03

创新是一个民族进步的灵魂，是国家兴旺发达的不竭动力。因此，当代大学生创新能力的强弱对建设创新型国家起着关键性的作用，也就是说对大学生的创新能力提出了更高的要求。培养学生创新能力的途径有很多种，作为培养创造性人才的探索与尝试，开设《机械创新设计》课程就是具体途径之一。

一、创新技法与TRIZ理论的诞生

《机械创新设计》阐明普通人也能搞发明创造，实现产品的概念设计。其内容分为基础知识篇、理论与方法篇和实例篇。基础知识篇涵盖机械创新设计的思维基础和技术基础，这是创新者必备的基本业务素质。理论与方法篇包括机构组合原理、机构演化和变异、机械结构创新、仿生原理、逆向工程、系统运动方案创新和TRIZ理论体系。实例篇以工程中的创新实例来说明创新方法的应用。

创新能力源于创新思维。科学的真谛在创造，创造的奥妙在思维，思维的本征体现于想象。人类一直在探索创新能力的提高和培养。迄今为止，世界上总共约有300多种创新技法，如：头脑风暴法、形态分析法、特性列举法、缺点列举法、希望点列举法、联想类比法、反向求索法、组合创新法、废缺颠倒法、5W1H法、检核表法、和田12法、魔球法以及特尔斐设想法等。显然，作为一种开放的思维形式，今后还会有更多的新技法问世。但这些技法看上去没有直接的逻辑联系，就像多而杂的五彩万花筒，令人眼花缭乱，不利于学习和掌握；且这些技法在实际表现中并不尽如人意，有时会达不到预期的目的。以头脑风暴法为例，它实质上是一种试错法，所提供的管理模式并不能确保成功，所产生的效果也要受到团队成员个性和环境的影响。因此，这些技法被称为传统的创新方法。

工业化社会以来，产生了无数的发明创造，设计制造了种类繁多的机电装备。如同门捷列夫找到化学元素间联系与区别的通用规律，大胆猜想而创生化学元素周期表那样，这些发明创造能否具有可以遵循的通用规律呢？这个问题的解决，其本身就是一个重大的创新。G.S.Ahshuller做到了，他发现进行发明创新、解决技术难题时，是有特定的科学方法和规律的。如果掌握了这些规律，就能主动地进行产品设计并能预测产品的未来发展趋势。由此，G.S.Ahshuller毕其一生精力，创立了现代创新理论，即TRIZ理论。

二、TRIZ理论体系的主干内容

（一）TRIZ的理论前提

描述型设计过程模型认为，设计过程可分为问题分析、概念设计、技术设计、详细设计4个阶段。其中概念设计是构思及选择产品工作原理的阶段，对于已有产品的改进设计，主要是改进部分工作原理；对于新设计，要构思与选择全新的工作原理。因此，产品创新的核心是概念设计。TRIZ理论就是用来进行概念设计的。TRIZ的理论前提是技术系统进化原理和冲突解决原理。技术系统进化原理表述为：产品或技术系统如同生物系统，是持续进化的，且进化有规律可循。冲突解决原理表述为：解决冲突是产品或技术系统进化的推动力。进化速度随技术系统一般冲突的解决而降低，欲使其产生突变，只能是解决阻碍其进化的深层次冲突。TRIZ理论的实用性在于生产实践中遇到的工程冲突常常重复出现，且彻底解决工程冲突的发明原理易于掌握。实践表明，工程人员所遇到的90%的问题都在以往的其他场合解决过，若能利用以往的解决办法，则研发将更加有效。问题的焦点在于抽取和归纳冲突和与其对应的发明原理。G.S.Ahshuller已证明发明可系统化地导出，而不必源自尝试错误。

（二）TRIZ的理论体系

TRIZ理论体系由术语、工具和算法组成。其术语有技术系统、功能、矛盾、理想度、资源、效应等。作为用于创新的工具，其构成有创新规律、创新方法和创新思维。创新的算法则有九步法、ARIZ算法和自己的算法等。其中创新规律的内容是技术系统的8大进化法则和S曲线。创新方法包括物理冲突（主要采用4条分离方法来解决）、技术冲突（主要采用39个技术特性参数描述的冲突解决矩阵）、40条发明原理、物场模型和76条标准解法。后来还添加了根本原因分析，功能分析和知识库。创新思维则含有金鱼法、小人法、九屏幕法和STC算子法等。

（三）TRIZ理论的本科教学内容

在本科教学中，只限于讨论TRIZ理论的主要内容，基础篇包括技术进化系统法则、技术冲突与物理冲突、分离方法、40条发明原理、冲突解决矩阵。提高篇包括物质—场分析、理想性观念、标准解法、资源分析等。

三、案例教学

掌握TRIZ创新方法，从要求上讲需要学习者有丰富的工程背景，这样才能快速有效地掌握TRIZ的创新原理和实用技巧。但本科教学中讲授TRIZ理论，本科生实践知识和感性认识都比较贫乏，要使学生掌握TRIZ创新方法，需要大量地采用了案例教学。案例教学能加强学生对TRIZ理论的理解，活跃学生的评论、分析、推理的思维，提高其应用能力。将TRIZ理论与案例教学结合，对培养创新观念，活化创新方法有着事半功倍的效果。

传统教学法中教师是教学的主导，学生是教学的主体。由于教师教学思维的暗示，容易使学生产生被动的惯性思维，导致学生死记硬背，思维不开放而造成不利于创新。案例教学中，教师只是粗线条地概述理论要点，主要是提出案例，然后学生开始研讨，使学生成为教学中的主导与主体，发挥其潜在的创新能力。

案例教学法的教学过程可以分为四个步骤：（1）教师讲述某一知识点后，引入案例并介绍有关背景知识。（2）学生讨论并构建所研究问题的框架，制定案例的研讨路线。（3）收集、汇总所有有关信息，进行分析处理。（4）形成研究结果，并报告自己的研究成果及收获。endprint

对于某些较难的或跨学科的案例，可以课后详细研究，鼓励学生间的合作，详细收集相关专业的资料，留作下一次课的报告结果，这种方法能弥补学生实践知识的不够。

课堂案例1：技术系统进化法则2——能量传递法则。

其理论知识点为：技术系统实现功能的必要条件。（1）能量必须能够从能量源流向技术系统的所有元件。（2）技术系统应该沿着使能量流动路径缩短的方向进化，以减少能量损失。（3）如果某个元件接收不到能量，就不能发挥作用，这会影响到技术系统的整体功能。

教师举出实例：手摇绞肉机替代菜刀。

背景知识：绞肉机的刀片旋转运动代替了菜刀的垂直运动，能量传递路径缩短，能量损失减少，同时提高了效率。

开展讨论，学生自己构建出研究问题的框架：技术系统必须有能量传递；自己悟出依照技术系统实现功能的必要条件拟定研讨路线；课堂气氛活跃，在讨论中收集、汇总有关信息，自行分析处理；形成各人的案例结果，发言并报告出来，以供深入研讨。

教师要做的，只是温馨提示技术系统实现功能的必要条件有3个，这是可以拓展思维的。于是封闭电梯里不能接收手机来电，蜗杆传动的摇头电风扇被鸿运扇淘汰等案例就被学生列举出来了。

课堂案例2：技术系统进化法则4——提高理想度法则。

其理论知识点为：提高理想度的途径。（1）提高有益的参数。（2）降低有害的参数。（3）提高有益参数的同时降低有害参数。

提高理想度法则是所有进化法则的方向。最理想的技术系统（即最终理想解IFR）就是作为物理实体（并不存在），但却能够实现所有必要的功能。

教师举出实例：手机的进化。第一部手机于1973年诞生，重800g，功能仅为电话通信。而现代手机仅重数十克，功能可超过100种，包括通话、游戏、MP3、照相等。

背景知识：功能的增加必须保证提高有益参数，如屏幕变大、键盘变虚拟等。同时还要降低有害参数，如体积和重量不得扩大反而要降低等。这样就提高了手机系统的理想度。

接下来，学生自己构建出研究问题的框架：最理想的技术系统就是作为物理实体（并不存在），但却能够实现所有必要的功能。自己领悟出依照提高理想度的途径拟定研讨路线；收集并汇总信息，自行分析。于是不需要油漆的彩色家具，不占据道路和着陆场的运载工具——个人飞行背包，甚至由一生都不长大的宠物狗联想到草坪上的草不需要修剪，自己始终维持在一个高度，从而不需要制造割草机等案例就被学生列举出来了。

课堂案例3：常规设计、现代设计与创新设计之比较。

教师给出的背景知识是教材的论述，仅作简单介绍。学生展开讨论，自己构建出研究问题的框架：三大设计各自的内涵和特点以及它们之间的异同；自己拟定研讨路线；课后讨论并收集汇总信息，自行分析；写出专业小论文，分组深入研讨。

该课程的理论讲授阶段要求学生完成两个作业（专业论文），论文中要求有创新作品的案例和自己的理解；实验综合阶段则是进入学校的创新实验室观摩前几届同学的创新作品，然后完成一项创新作品的综合设计。

TRIZ理论的教学对于教师本身也是一个挑战，它要求教师知识面宽阔，具备终身学习的理念，建立起开放式可扩充的个人知识库。特别是要不断开拓自己的思维，为教学提供基础。这就需要广泛收集有关创新设计的资料，尤其要研读关于TRIZ理论的著作，以充实教学。结合教师自己的科研课题，也能归纳提炼上升到理论高度，从而提高自己的创新素养，利于高水平地完成科研课题，也将使课堂教学生动活化。

几年来的实践证明，开设《机械创新设计》课程能够提高学生的创新能力，开拓思路，为参加机械设计制造创新大赛奠定理论基础。当然，创新能力的培养不是一门课或一次创新大赛就可以解决的，应该把传授知识、培养能力、提高素质、发展个性特长作为一个有机整体去考虑。培养创新型人才是教育的深刻变革，是一项侧重于顶层设计的系统工程，需要在学生成长的各个阶段始终贯彻素质教育，着眼于培养创新素质。所以，创新教育应在课程体系改革的大框架下进行。

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基金项目：国家科技部创新方法专项（2012IM021000）

作者简介：邓援超（1963-），男，湖北大悟人，硕士研究生，教授，研究方向：机械设计理论与创新设计。endprint