基于TRIZ理论的遥控式电动水写黑板创新设计

张鹤扬张晶李玉燕

（1.河南科技大学附属高级中学，河南洛阳 471023；2.河南科技大学管理学院，河南洛阳 471023）

基于TRIZ理论的遥控式电动水写黑板创新设计

张鹤扬1张晶2李玉燕2

（1.河南科技大学附属高级中学，河南洛阳 471023；2.河南科技大学管理学院，河南洛阳 471023）

传统粉笔——黑板教具系统具有粉尘污染大、擦拭效率低下等缺陷。通过使用TRIZ理想解方法，在传统教具系统基础上设计了遥控式电动水写黑板系统，有效降低了系统使用成本和粉尘污染，并大大提高了教学质量和工作效率。

TRIZ；黑板；水写；创新

目前，各类学校在教师进行现场教学的过程中，粉笔板书仍然是主流的教学方式，粉笔——黑板传统架构的教学工具使用方便、价格低廉，被广泛使用。但是，传统的木质、水泥和有机玻璃材质的黑板，粉笔字擦除时，会留下粉笔痕迹，无法完全清洁，同时擦拭过程中造成教室内粉尘飞扬，对于教师和学生的健康产生了严重的威胁，尤其是中小学课堂上粉笔板书的书写量非常大，反复的板书和擦拭也使得教师的工作量非常大，导致工作效率低下。

鉴于该黑板的各种弊端，近年来出现了从不同角度对粉笔、黑板擦和黑板的改进设计，如无尘粉笔、吸尘黑板擦和吸尘黑板等新型产品的设计［1，2］。但是，这些产品并没有在市场上很好地普及，主要原因在于，这些产品采用机械自动化原理对黑板及黑板擦进行设计或改造，使黑板或黑板擦具备自动吸尘功能，从而消除或减少粉尘污染，产品技术复杂，成本较高，不易普及。本文提出了一种改变了传统粉笔——黑板的教具架构。具体采用水写笔和水写幕布配合的形式应用于课堂教学中，能够有效减少粉尘污染危害师生身体健康和教学环境的现实问题，同时具有书写方便、易于擦拭和无尘等优点。该种教具可以通过遥控转动的“黑板”来有效增加课堂内容展示的多维性和新颖性，并减少教师的板书量和劳动强度。

1 TRIZ理论概述

前苏联发明家阿奇舒勒和他的研究团队，通过分析大量专利和创新案例总结出一套发明问题的解决理论（TRIZ）。TRIZ认为产品或技术系统的进化有规律可循；其他领域的科学原理可解决技术问题。TRIZ的核心是消除矛盾及技术系统进化的原理。阿奇舒勒和他的研究团队提出了TRIZ系列工具，包括冲突矩阵、76个标准解、ARIZ、物质场分析、40个发明原理等。

矛盾（冲突）普遍存在于各种产品的设计之中。按传统设计方法是在冲突双方取得折衷方案，或称降低冲突的程度。TRIZ理论认为，产品创新的标志是解决冲突，产生新的有竞争力的解。设计人员在设计过程中不断地发现并解决冲突是推动产品进化的动力。

TRIZ解决问题的一般流程为：首先将一个待解决的实际问题转化为问题模型；然后针对不同的问题模型，应用不同的TRIZ工具，得到解决方案模型；最后将这些解决方案模型应用到具体的问题中，得到问题的解决方案。

TRIZ的问题模型可划分为4种形式：技术矛盾、物理矛盾、物场问题和知识使能问题。这4种形式分别对应4种问题模型和解决方法。理论上讲，当遇到技术难题时，可以采用4种形式中的任意一种来寻找解决方案。但是，由于不同的形式，解决问题的出发点是不同的。因而，当面对一个具体问题时，就应该对问题进行分析，考察问题的属性，选择一种解题形式与方法解决该问题。

2 遥控式电动水写黑板创新设计

2.1 基于TRIZ方法的系统组成设计

产品创新的过程就是产品设计不断迭代，理想化的水平不断由低级向高级演化的过程，无限逼近理想状态。当设计人员不需要额外的花费就实现了产品的创新设计时，这种状态就称为最终理想结果IFR（Ideal Final Result）。IFR的实现可以这样来表述：系统自己能够实现需要的动作，并且同时没有有害作用的参数。

根据TRIZ最终理想解的要求就提高粉笔——黑板教具系统的理想度而言，可以从以下方面着手：①通过增加新的、有用的功能或从外部环境获得功能；②提高有用功能的级别，把尽可能多的功能高效传输到工作元件上；③降低成本，充分利用内部或者外部已存在的、可利用的资源，尤其是免费的理想资源；④减少有害功能的数量，尽量剔除那些无效、低效、产生副作用的功能；⑤降低有害功能的级别，预防和抑制有害功能产生，或者将有害功能转化为中性功能；⑥将有害功能移到外部环境中，不再成为系统的有害功能。

基于以上对最终理想解的分析对粉笔——黑板系统功能进行设计。首先，针对粉笔功能进行改进设计。传统粉笔材料为石膏，在书写和擦拭过程中容易产生粉尘污染。根据剔除有害功能，降低成本的改进法则，采用水写笔，用水做书写材质成本低廉，环保无污染。其次，针对黑板功能改进设计。传统黑板材质为木质、水泥和有机玻璃，书写痕迹不容易擦拭干净，反复擦拭劳动量大。黑板的有用功能为内容展示，改变黑板的材质采用水写布，水写在上面可以显示一段时间，水干后可以循环使用，对于展示内容较多的情形可以将水写布制作成卷轴形式，拉出新的水写布，卷进写过的水写布。此时以前的擦拭黑板的工作代之以卷动转轴的工作。根据提高有用功能的级别，把尽可能多的功能高效传输到工作元件上的法则，采用伺服电机传动的，可以自由转动的黑板，其传动环节，加装红外遥控的功能可以有效减少无用功带来的劳动量。

基于以上分析，传统的粉笔——黑板组合的教具系统改善为水写笔-水写布组合的教具系统。

2.2 水写黑板功能部件设计

以水写笔+水写布构成的新型教具系统不仅成本低廉、无污染，而且能够有效减少无用功。在此系统中关键功能部件为水写布和水写布，因此对两种功能部件进行改进设计。

2.2.1 水写笔的功能设计。水写笔的功能要求为在水写布上显示一段时间，为增加课堂内容展示的多样性和丰富性，最好能呈现出彩色书写效果。设计特殊原料的水液配方，使得水写内容能够显示40min，且可以呈现出彩色书写效果。

2.2.2 水写布的功能设计。水写布的功能要求一方面可以展示水写笔书写内容，另一方面为避免擦拭等无用功浪费，设计成可以自动转动的转轴形式。针对以上需求将黑板制作成由伺服电机传动的垂直滚动切换幕布，其切换可以用红外遥控进行控制。幕布的转轴部分由步进伺服电机控制，为了便于教师灵活控制幕布，在幕布下方设置红外线接收器，可接收教室任何地方发出的红外遥控信号。电动水写黑板的实用图如图1所示。

图1 电动水写黑板设计实用图

3 结论

针对传统粉笔——黑板教具系统具有的多种问题，通过使用TRIZ理想解在创新过程中的应用方法，提出了由水写笔+水写布构成的新型教具系统，在该系统中用水作为书写材质有效降低了系统使用成本，而且无任何粉尘污染。为进一步解放“人力”资源，将水写布制作成由伺服电机传动的垂直滚动切换幕布，其切换可以用红外遥控进行控制。该遥控式电动水写黑板能有效降低使用成本，减少系统内污染，提高教学质量和效率。

［1］刘应乾，刘宏强，李超.基于空气动力学的电动无尘黑板擦的设计［J］.滨州职业学院学报，2012（3）：76-77.

［2］窦涛，杨晓敏.连续无尘自动黑板的设计与研究［J］.中国教育技术装备，2010（21）：81-82.

Innovation Design of Remote Control Electric Water Writing Blackboard Based on TRIZ Theory

Zhang Heyang1Zhang Jing2Li Yuyan2
（1.Senior High School Affiliated to Henan University of Science and Technology，Luoyang Henan 471023；2.School of Management，Henan University of Science and Technology，Luoyang Henan 471023）

Traditional chalk-aid system has the disadvantages of large dust pollution and low cleaning efficiency. By using TRIZ ideal solution method,remote control electric water writing blackboard system was designed based on the traditional teaching system,which effectively reduce the system cost and dust pollution,and greatly improve the teaching quality and efficiency.

TRIZ；blackboard；water writing；innovation

TH12

A

1003-5168（2016）12-0094-02

2016-11-17

河南省政府决策研究课题（2016B071）；河南省高等学校重点科研项目（17A630016）。

张鹤扬（2000-），女，在校高中生，研究方向：创新发明等;张晶（1982-），女，博士，讲师，研究方向：创新管理等;李玉燕（1987-），女，硕士，研究方向：创新管理等。