测控技术与仪器专业“创新设计”课程设计与实践

张 鹏, 习道政, 董娅凡, 檀润华

(1. 河北工业大学 机械工程学院测控系, 天津 300130；2. 国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心, 天津 300130)

测控技术与仪器专业“创新设计”课程设计与实践

张 鹏1,2, 习道政1,2, 董娅凡1,2, 檀润华1,2

(1. 河北工业大学 机械工程学院测控系, 天津 300130；2. 国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心, 天津 300130)

在测控技术与仪器专业开设TRIZ理论为主的“创新设计”课程,分析该课程与其他专业课程之间的衔接,提出了以“创新设计”课程为主线、大学生科研训练项目为载体、结合专业方向课程设计、立足毕业设计的一系列适合于测控技术与仪器专业课程教学设计与实践过程,并以近几年的实践情况验证该方法的科学性和有效性。

创新设计； TRIZ理论; 大学生科研训练计划； 测控技术与仪器

测控技术与仪器专业是研究信息的获取和处理,以及对相关要素进行控制的理论与技术的专业。测控专业本科生应掌握测控仪器设计的一般过程、方法、原则和原理,并将其应用于实际设计。为了系统培养本科生创新思维能力,专门开设了以TRIZ理论(发明问题解决理论)为核心的“创新设计”课程。该课程是以讲授TRIZ理论为主,该课程可以系统地提高学生创新意识和创新能力。创新设计课程系统讲授产品设计过程中发现问题、分析问题和创造性解决问题的系统化方法。课程的任务是使学生初步具有应用TRIZ理论发现问题、分析问题和解决问题的能力。由于“创新设计”课程以TRIZ理论为核心是一种自成体系的课程,通过教学设计使“创新设计”课程与测控其他专业课结合,并共同促进测控技术与仪器专业学生进行创新仪器设计。本文以大学生科研训练项目为载体,结合专业方向课程设计,立足毕业设计,在经典仪器设计理论与方法的基础上,将TRIZ理论引入仪器设计全过程,实现面向创新设计的测控仪器设计过程。

1 测控技术与仪器专业与“创新设计”课程

从21世纪开始,随着TRIZ理论[1]在世界范围内快速扩散,企业对TRIZ理论的巨大需求,带动了国内外高校对TRIZ理论的研究与推广。前苏联时期,TRIZ理论一直被作为大学专业技术必修科目,西北欧、美国、我国台湾地区一些大学将TRIZ理论列为高校本科生和研究生的必修课。目前俄罗斯共青城国立工业大学已将其列为各专业必修的科目。

河北工业大学是国内最早开展TRIZ理论相关研究的单位之一,也是国内最早开设以TRIZ理论为核心内容的课程的高校之一。目前,河北工业大学的创新设计课程包括机械学院创新设计课程、校级选修课、机械类研究生学位课、全校研究生选修课和博士学位课等。当前国内外开设的TRIZ理论课程多集中于机械专业[2-3],将TRIZ理论课程融入测控仪器设计课程未见研究报道。根据测控技术与仪器专业的具体情况[4-7],将大学生科研训练项目引入到测控专业课和创新设计课程中,从大学生科研训练[8]项目中使学生学会专利下载与分析、技术预测、测控仪器功能分析及原理解获取、遵循测控仪器设计原理与原则的总体设计、后续传感器选择、测控电路设计、单片机设计等。这样不但可以提高学生动手能力还可以对其创新思维能力进行系统训练[9-12]。

目前测控技术与仪器专业课程主要采用课堂讲授和实验相结合的方式进行。学生通过课程掌握的测控仪器设计的一般过程、方法、原则和原理多停留在理论层面,运用所学知识解决实际问题的能力尚需提高。“创新设计”课程是以国际上著名的创新设计理论TRIZ为基础,系统讲授产品设计中发现问题、分析问题和创造性解决问题的系统化方法。通过本课程的学习可以提高学生创新意识和能力,增强学生对产品设计和开发工作的适应性。

本科课程为提高本科生实际动手能力,设置了专业方向课程设计、生产实习和毕业设计等环节。另外,本科生也通过参加科研训练计划和各种设计比赛提升其实际动手能力,并取得了一定的效果。

将“创新设计”课程中传授的先进的设计理念与仪器设计实际相结合,通过大学生科研训练计划项目在锻炼学生创新思维能力的同时提升其实际仪器设计能力,使两者得到充分的锻炼。

2 在测控技术与仪器专业本科教学中设置“创新设计”课程

“创新设计”课程在测控技术与仪器专业本科教学实践过程中,将TRIZ理论有效融入到测控仪器设计过程,将大学生科研训练项目引入课堂,使创新训练项目贯穿于创新设计课程始终,以大学生科研训练项目为载体,通过专利分析、技术预测及其他创新工具帮助学生开拓思路,培养其创新思维能力；对于确定的方案进行测控仪器总体设计和详细设计,并将这些设计内容以科研训练计划、专业方向课程设计和毕业设计的形式开展,全面锻炼本科生动手能力,对本专业的教学工作有重要推动作用。搭建测控仪器设计实习、实践平台,引导本科生在参加创新训练项目以及参加各种大学生创新设计大赛中应用创新设计和测控仪器设计相关知识,鼓励学生进行大学生科研立项。通过课堂教学和实践训练,潜移默化地培养学生形成创新思维方式,通过全程参与创新训练项目提升学生动手实践能力。

“创新设计”课程在测控技术与仪器专业本科教学的实践过程,项目参与主体是参加大学生科研训练项目的本科生,分7步实施整个过程:大学生科研训练项目选题、专利分析与技术预测、专利规避设计、测控仪器总体设计、详细设计、样机制造及项目总结。这个实施过程由指导教师与参加科研训练计划的本科学生共同完成,实施过程中还用到专利分析软件、计算机辅助创新软件及测控专业其他软件。

(1) 科研训练计划选题。采用指导教师命题和学生自主选题相结合的方式初步选取课题,应用于“创新设计”课程中,从IFR、技术成熟度、发明等级、发明问题定义等方面入手,选取其中符合测控专业并且具有创新潜力的课题。

(2) 专利分析与技术预测。运用“创新设计”课程中技术进化模式和进化路线对所选课题进行技术预测,结合技术预测的结果在国家知识产权局网站、大维专利分析软件或智慧牙专利分析软件等多平台进行专利查询与分析,选定目标专利和初步方案。

(3) 专利规避设计。结合初步方案和目标专利,通过功能模型、效应等TRIZ工具对其进行专利规避设计,确定科研训练项目草案。

(4) 测控仪器总体设计(概念设计)。运用冲突解决理论、物质场标准解等TRIZ工具解决项目草案中存在的发明问题后,应用“传感器与检测技术”“工程光学”“精密机械工程”和“测控仪器设计”等专业课程知识完成项目总体设计。

(5) 测控仪器详细设计。运用其他专业课程进行项目详细设计,若设计过程中发现新的问题,则继续使用TRIZ理论解决其中的问题,最终完成课题的结构设计、硬件设计和软件设计等。

(6) 测控仪器样机制造。进行样机结构制造,硬件搭建及软件调试。

(7) 项目总结。项目结题报告撰写,进行专利申报,准备参加适合的大学生科技竞赛,如全国大学生TRIZ杯创新设计大赛、全国大学生机械创新设计大赛等各种竞赛。

应用“创新设计”课程在测控技术与仪器专业本科教学实践过程中,由于不同的大学生科研训练项目完成情况不同,对学生的锻炼程度也存在差异,如表1所示。通过上述训练过程不但可以锻炼学生的创新思维能力和实践动手能力,对于学生参加各类设计比赛和提升学生毕业设计能力都有很大益处,对于一些创新性强的训练项目还可以取得相应的专利成果。

表1 项目实施水平差异与可能取得成果对应表

3 应用案例

为了有效实施“创新设计”课程在测控技术与仪器专业本科教学的实践,将“在线纸张测厚问题”引入到“创新设计”课程中。

3.1 科研训练计划选题

“在线纸张测厚问题”源于某企业的实际工程问题,是典型的测控仪器类课题。该问题为成品纸张按照厚度分选问题的前端测量问题,目前存在测量精度低、仪器成本高等问题,属于典型的发明问题。如果能够得到更好的解决方案将取得技术上的突破,属于符合测控专业并且具有创新潜力的课题。在确定课题后,由学生自愿组成兴趣小组开展后续专利检索和技术预测工作。

3.2 专利分析与技术预测

经过应用国家知识产权局网站、大维专利分析软件或智慧牙专利分析软件等多平台专利检索发现,纸张测厚专利原理主要是称重法、射线法、电容法和电涡流法等,但是上述方法均存在成本高或精度低等问题,无法解决在线纸张测厚问题。通过TRIZ理论的技术预测,认为开发一种新原理生成一条新s曲线替代原有s曲线是十分必要的。通过技术进化模式和进化路线分析发现,当前原理已经进化到“场”状态,需要一种精度适当、价格低廉的新“场”测量方式替代原有的测量原理。由于“光学场”成本较高不符合设计要求,所以选择“声场”作为新测量原理进行后续专利规避设计。

3.3 专利规避设计

在选定“声场”作为新测量原理后,检索了超声波相关专利。超声波相关专利主要是超声波流量检测、超声波距离检测、超声波液位检测和超声波油漆厚度测量等相关方面专利,未见超声波原理纸厚测量专利。以超声波距离测量专利为目标专利开展专利规避设计,通过应用功能裁剪等TRIZ工具,得到超声波纸厚装置功能模型,确定超声波纸厚装置项目草案。

3.4 测控仪器总体设计(概念设计)

根据超声波纸厚测量装置功能模型进行后续概念设计发现,系统里存在典型物理冲突,为了测试精度高,需要使用液体超声(液体超声频率高精度高),结果会导致液体污染纸张；同样,为了不污染纸张,需要选用气体超声(气体超声频率低),结果造成测试精度低。因此,设计超声波纸厚测量装置时,希望超声波的频率高低适中。考虑到液体与纸张在空间上进行分离可以防止液体对纸张的破坏,因此该冲突可以在空间上进行分离。

选用4条分离原理当中的空间分离原理。可以利用的发明原理包括:NO.1分割、NO.2分离、NO.3局部质量、NO.4不对称、NO.7套装、NO.13反向 、NO.17维数变化、NO.24中介物、NO.26 复制、NO.30柔性壳体。根据可用的发明原理得到如下解决方案:

方案一:根据NO.2分离原理和NO.24中介物原理得到如下解决方案:将测量纸张与液体分离,将探头放在液体当中,利用中介物(测量端面)与纸张接触。

方案二:根据NO.2分离原理和NO.7套装原理得到如下解决方案:将探头放在液体当中,同时接收探头与罐体相连接,液体套装在罐体当中,罐体与纸张接触。

整个TRIZ求解过程中还运用了九屏幕法、资源分析、技术冲突、物质场和标准解等工具,并形成很多个方案,限于篇幅的限制不再一一赘述。

在系统中的发明问题全部解决后,应用“传感器与检测技术”“工程光学”“精密机械工程”和“测控仪器设计”等专业课程知识完成项目总体设计。

3.5 测控仪器详细设计

完成了超声波纸厚测量装置结构设计,硬件设计和软件设计等。

3.6 测控仪器样机制造

完成了超声波纸厚测量装置样机结构制造,硬件搭建及软件调试。

3.7 项目总结

超声波纸厚测量装置已获得校级大学生科研训练计划项目资助并已完成结题,通过TRIZ解题得到的方案,已申请发明专利4项并授权实用新型专利2项。其中申请发明专利分别为:一种超声波纸张测厚装置(201410140492.4)；一种超声波纸张厚度测量装置(201410232558.2)；一种卧式超声波纸张测厚装置(201410232618.0)；一种立式超声波纸张测厚装置(201410139265.X)。授权实用新型专利分别为:一种超声波纸张测厚装置(ZL201420167095.1)和一种立式超声波纸张测厚装置(ZL201420167791.2)。其中,发明专利“一种超声波纸张测厚装置(201410140492.4)”将于近期正式授权,其他发明专利还在审核过程中。另外,超声波纸厚测量项目近期参加了某全国大学生创新设计比赛,在校内选拔赛中获得了二等奖,顺利代表学校参加比赛。

超声波纸厚测量项目只是近几年教学改革实践项目中的一个,目前以大学生科研训练计划为载体,“创新设计”课程已经有效与测控技术与仪器专业相结合。项目实践期间,“超声波纸厚测量”“片形合金成分辨识及自动分选控制系统设计”“硬币分选控制系统设计”“面面粥道粥品智能配料系统”和“公交车智能硬币分选系统设计”等项目分别获得了国家级大学生创新创业科研训练计划资助2项、省级大学生创新创业科研训练计划资助3项和校级大学生创新创业科研训练计划资助多项。已申请发明专利6项,获得实用新型专利2项,申请实用新型2项。参加各类大学生创新设计比赛,获得全国TRIZ创新设计一等奖1项、二等奖2项、三等奖多项；获得河北省机械创新大赛一等奖2项、三等奖2项；获得天津市合泰杯单片机比赛三等奖1项；获得校级优秀毕业设计多项。

在实施“创新设计”课程在测控技术与仪器专业本科教学实践过程中,将“创新设计”课程有效地融入到测控技术与仪器专业,而非传统的机械专业。通过带领本科学生对一些典型的测控仪器课题进行TRIZ求解,得到了大量具有创新性的方案,在获得国家级、省级和校级大学生科研训练计划资助的同时,申请了一批发明专利和实用新型专利。对参与其中的本科学生,在锻炼他们的创新思维能力的同时,也锻炼了他们结构设计、硬件设计与调试、软件编程等实际动手能力。

4 结语

测控技术与仪器专业作为研究信息获取和处理的非机械专业,通过开设以TRIZ为核心的“创新设计”课程,并将“创新设计”课程与测控专业课程体系有效融合。在测控专业课程学时有限的前提下,充分利用学生课余时间,以科研训练计划为载体,辅以专业方向课程设计和毕业设计为实践形式,形成了一整套以创新设计为特色的测控技术与仪器专业创新思维与动手能力训练体系,并取得了良好的效果。

References)

[1] 檀润华.TRIZ及应用技术创新过程与方法[M].北京:高等教育出版社,2010.

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[3] 任重昕,苏永涛.基于TRIZ理论的大学生创新能力培养[J].黑龙江高教研究,2012(8):130-131.

[4] 李雅峰,隋修武.面向纺织工程的测控专业人才培养模式的探索[J].大学教育, 2013(17):77-78.

[5] 张文娜,熊飞丽,叶湘滨,等.测控技术与仪器专业课程体系整体优化研究[J].高等教育研究学报,2008,31(2):33-35.

[6] 宋爱国,况迎辉.测控技术与仪器本科专业人才培养体系探索[J].高等工程教育研究, 2005(1):48-51.

[7] 时铭显.高等工程教育必须回归工程和实践[J].中国高等教育,2002(22):16-18.

[8] 钱小明,荣华伟,钱静珠.基于导师制下“大学生创新创业训练计划”教育的实践与思考[J].实验技术与管理,2014,31(7):21-24.

[9] 张勇,刘军山,黄启来.实验教学模式创新与课堂教学设计[J].实验技术与管理,2010,27(6):15-17.

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[11] 刘召顺.通过科研活动培养大学生创新思维[J].中国高校科技,2016(7):58-59.

[12] 高洪旺.开放实验项目与学员应用创新能力的培养[J].武警学院学报,2012(1):79-80.

Design and practice of Innovative Design course in undergraduate teaching of Measurement and Control Technology and Instrument specialty

Zhang Peng1,2, Xi Daozheng1,2, Dong Yafan1,2, Tan Runhua1,2

(1. Department of measurement and control,School of Mechanical Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300130, China; 2. National Technological Innovation Method and Tool Engineering Research Center,Tianjin 300130, China)

In Innovative Design course with TRIZ theory in the Measurement and Control Technology and Instrument specialty, this paper analyses the connection between the course and other professional courses. A series of course teaching design and practice process are put forward, including scientific research training program for college students, professional orientation course design and graduation design, which is suitable for the specialty of Measurement and Control Technology and Instrument. It is proved that the method is scientific and effective based on the practice in recent years.

innovative design； TRIZ theory; scientific research training program for college students； measurement and control technology and instrument

10.16791/j.cnki.sjg.2017.02.044

2016-08-08

科技部基础工作专项“大学生创新创业方法训练体系构建与应用示范”(2015IM040200)；国家自然科学基金项目(51305123)；河北工业大学教改项目“创新训练项目驱动的测控仪器设计与创新设计课程教学改革与实践”

张鹏(1979—),男,天津,工学博士,副教授,研究方向为复杂工业仪器与复杂机电系统创新设计

习道政(1993—),男,河南三门峡,硕士研究生.

E-mail：zhangpeng@hebut.edu.cn

G642.0

B

1002-4956(2017)2-0170-04