TRIZ机械创新设计方法的教学软件设计

边义祥 丁 渊

（扬州大学 机械工程学院，扬州 225127）

TRIZ机械创新设计方法的教学软件设计

边义祥 丁 渊

（扬州大学 机械工程学院，扬州 225127）

TRIZ创新理论和创新方法是机械创新设计本科教程的重要组成部分。为了提高教学效率，将TRIZ理论中的39个工程参数、40个发明原理和创新问题的求解过程编成计算机教学软件，主要包括数据初始化模块、创新对象选择模块、技术矛盾解决模块(TRIZ分析模块)、解决方案输出模块等内容。教学实践表明，学生使用这一软件能够较快地掌握TRIZ创新理论和方法。

机械创新设计 TRIZ 创新方法 教学软件

创新是人类文明进步的原始动力，是技术进步、经济发展的原动机。在人类发展过程中，创新起到了决定性作用。近年来，我国的机械产业取得了长足发展。但是，和世界发达国建相比，还有很大差距。利用机械创新设计，一方面可以促进我国机械产业更快发展；另一方面，也能快速提升我国的设计能力，缩短和发达国家的差距。机械创新设计是指充分发挥机械设计人员的创造性思维，利用原有的机械及其他学科的基础知识，进行具有创新性的构思，设计出具有实用性、创造性以及新颖性的机构或机械产品。在大学阶段，必须在大学本科生的课程学习过程中，加强其机械创新设计能力的培养和锻炼，使学生毕业时能够具有基本的机械创新设计基础知识和一定的机械创新设计能力，以适应未来的机械创新设计工作。

在《机械创新设计》的课堂教学过程中，教材中涉及的机械创新设计方法较多。但是，大部分创新设计方法的教学可操作性不强，无法对学生进行切实可行的实际训练，教学效果也不太理想。针对这一问题，将国际上通用的TRIZ创新理论和创新设计方法编成计算机软件，可以针对某一具体的机械设计问题，通过该软件对学生进行机械创新设计训练[1]。这种教学方式更为直观，学生参与意识较强，教学效率和教学效果较好[2-3]。现有的商业化TRIZ创新设计软件，价格较为昂贵，且如果要能熟练运用，需要较长时间的专业培训，不太适合普通本科机械专业的教学使用[4]。

本文在多年TRIZ创新设计教学实践的基础上，运用计算机技术，将TRIZ创新方法的基本内容编写成一个创新设计教学软件，并应用于机械设计专业的机械创新设计教学中，获得了良好的教学效果。

1 TRIZ理论

TRIZ是“发明问题解决理论”的俄文词头缩写，全称为Theory of Inventive Problems Solving，是前苏联著名科学家Genrich S. Altshuller领导的专门研究机构，在分析当时世界近250万件具有较高水平的发明专利的基础上，综合多个学科领域的科学原理和科学法则，提出的一套有关创新发明的理论体系。该理论揭示了不同学科的科研人员在进行创新发明时，都应该遵循的普遍的客观规律和方法[5]。

TRIZ理论认为，科研人员在不同领域的创新活动中所用到的原理和方法并不多。不同时期、不同领域的创造发明，可以反复利用相同的基本原理。来自数学、化学、物理以及不同的工程领域的基本原理，经过融合后形成新的创新原理，并可以被反复应用于不同领域的创造发明。在一个科学领域中发生在创新设计中的冲突以及此冲突的解决原理，也可以在其他科学领域中稍加改变后加以应用。在某一个科学领域中发现的新原理、技术系统的发展模式，在不同的科学领域可能交替出现。解决某一领域的具体创新设计的科学原理，也可能是属于其他领域的科学原理。

TRIZ理论和创新方法，是一套具有系统性、基于科学知识的创新方法体系，包括创新性思维方式、分析问题的具体工具以及基于科学知识的解决创新问题的工具等[6]。具体内容包括：技术系统中八大进化原理、最终产生理想解的途径、40条发明创新原理、39个具体工程参数及由此组成的矛盾矩阵、物理矛盾和四大解决矛盾的分离原理、物-场理论模型分析、创新问题的标准解、发明问题解决算法、所产生的科学效应和基础知识库等[7]。

对于具体的创新设计问题，基于TRIZ理论的求解过程，如图1所示，即首先对具体创新设计中遇到的矛盾问题进行详细分析，将已知的基础条件、受到的相关约束和最终要得到的最优解，用TRIZ理论中的39个具体的工程参数表示。这样就可以将具体的创新设计问题转化成TRIZ理论中的标准问题。然后，再运用TRIZ理论中的40个发明原理求解这个标准问题，得到这一问题的标准解。最后，再运用这一科学领域的基础知识、相关原理和知识，将标准解转化成针对这一具体创新设计问题的解决方案，从而得到最终的设计方案。

图1 基于TRIZ理论的求解过程

2 机械创新设计软件设计

将TRIZ理论和信息技术相结合，用计算机软件实现TRIZ机械创新设计方法，可以在创新思维思考阶段将思维过程用标准化方法和步骤实施。大学生也可以通过此教学软件，快速掌握TRIZ创新理论和方法。

2.1 系统流程图

该教学软件系统的流程图，如图2所示。在进入本系统后，首先经过分析，用TRIZ理论的观点确定问题。因为只有确定了待研究的问题，才能继续寻找具体的研究对象，发现创新问题的矛盾所在。待研究问题确定后，进入研究对象的选择模块。选择合适的设计对象后，进入TRIZ分析模块进行设计对象的功能分析，确定研究对象中是否存在矛盾。若存在矛盾，则进入TRIZ理论的发明原理解决模块，并提出合适的解决方案；若不存在矛盾，则直接提出设计方案。然后，对提出的方案进行评价选择。如果不满意，则回到功能分析阶段重新开始；若产生的方案可行，则输出产品创新设计方案。方案的输出，直接存入问题解决事例库。

图2 软件流场图

2.2 系统模块

机械创新设计教学软件系统由登陆模块、数据初始化模块、创新对象选择模块、技术矛盾解决模块（TRIZ分析模块）、解决方案输出模块等组成。其中，登录模块主要是用户权限管理模块。数据初始化模块是把需要的数据存储在数据库中，以方便程序运行时调用。系统中用到的数据主要是工程参数解释、发明原理解释、原理应用实例等。为了数据库建立以及程序调用的方便，将所需数据表建在同一个“发明原理”数据库中。

TRIZ分析模块是系统的另一个重要部分。该模块主要通过矛盾解决矩阵，分析选择出来的对象中存在的矛盾，解决创新设计中“如何做”的问题，从而实现机械部件、系统的创新。确定创新设计对象后，进行功能分析并确定优化参数、恶化参数。此时，在软件系统中，首先选择相应的参数。如果对有的参数不熟悉，可以进行简明意义查询。其次，根据矛盾矩阵表的数据，得出推荐的TRIZ发明原理。该步骤也可以进行发明原理的意义查询。再次，可以看到相应发明原理的应用实例，从中得到启发。最后是一些已经解决了的问题的纪录，可以查询、修改及删除，并且可以将刚解决问题的新记录添加到数据库。

技术矛盾解决模块可以与创新对象选择模块组合使用，也可以单独使用。对于问题比较复杂、不能清楚确定产品创新研究对象时，需要应用创新对象选择模块，为产品创新方案设计提供明确的产品创新研究对象。而当问题比较简单、研究对象明确时，为缩短产品创新设计的时间，可以跳过创新对象选择模块，直接进行产品创新方案设计。最后的方案评价阶段，也应用了前面介绍的产品创新方案的评价模型。软件的运行界面，如图3所示。

图3 软件界面

3 教学效果

机械专业大四的本科生，在学习TRIZ理论的基础知识后，可以通过本教学软件的培训，进行机械创新设计的实际操作。通过近5年的教学实践来看，机械设计及其自动化专业的本科生，经过本软件大约1周左右的培训和训练，基本能够掌握TRIZ理论中的主要内容，大部分能够较熟练地运用本软件，解决机械创新设计中遇到的一些较为常见的矛盾问题。可见，本教学软件可以帮助大学生快速掌握TRIZ创新理论和方法，提高学生的机械创新设计能力和独立工作的能力，培养学生的工程创新意识和工程创新实践能力。

参考文献

[1]汪莉.基于创新方法(TRIZ)的河南省高等教育教学改革研究[J].教育教学论坛，2015：156-157.

[2]张明勤，张瑞军，何芹，等.TRIZ教学体系的探索与实践[J].山东建筑大学学报，2013，（28）：172-175.

[3]辛明远，王永.基于TRIZ的计算机辅助创新系统设计[J].黑河学院学报，2011，（2）：9-12.

[4]王莉静，李建军，尤洪岭.培养创新能力的机械设计基础课程改革[J].教学研究，2012，（35）：81-83.

[5]卢希美，张付英，张青青.基于TRIZ理论和功能分析的产品创新设计[J].机械设计与制造，2010.

[6]陈敏慧，蒋艳萍，吕建秋.TRIZ国内外研究现状、存在问题及对策研究[J].科技管理研究，2015，（25）：24-27.

[7]陈红柳，任工昌，鲁麒，等.TRIZ和头脑风暴对创造性思维的促进作用研究[J].机械设计与制造，2013：268-269.

Design of A Teaching Software of Mechanical Innovation Design Based on TRIZ Theory

BIAN Yixiang,DING Yuan
(College of Mechanical Engineering, YangZhou University, Yangzhou 225127)

TRIZ theory and method is an important part of undergraduate teaching of mechanical innovation design. In order to improve the teaching efficiency, the 39 engineering parameters, 40 principles of invention and innovation in the process of solving the problem of TRIZ theory were programmed in a teaching software. The software mainly include data initialization module, innovation object selection module, technical conflict resolution module, i.e. TRIZ analysis module and solution output module.

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