基于TRIZ-CDIO模式的大学物理实验教学探索与实践

郭献章，张淑梅，房瑞东，王 澍，李 俊，徐天运，陈彦夫，吴薛晗

(东北大学 秦皇岛分校，河北 秦皇岛 066004)

基于TRIZ-CDIO模式的大学物理实验教学探索与实践

郭献章，张淑梅，房瑞东，王 澍，李 俊，徐天运，陈彦夫，吴薛晗

(东北大学 秦皇岛分校，河北 秦皇岛 066004)

在传统实验教学的基础上，引进了TRIZ创新理论和CDIO工程教学模式，初步形成了TRIZ-CDIO实验教学模式. 结合创新教学平台和信息化教学平台的搭建，该模式增强了大学物理实验教学的吸引力，并提高了教学效率,拓宽了师生的视野，提升学生的创新创业能力与科研动手能力. 把创新作为有规律可循的系统理论，实现大学物理实验教学的现代化改革，为实践“大众创业，万众创新”，进行了有益的探索.

TRIZ-CDIO教学模式；物理实验；教学改革

科教兴国和人才强国是我国坚持实施的国家级战略，而创新型人才的培养正是其关键所在. 大学物理实验是一门将理论研究和实验教学巧妙地融合在一起的实践课，它是理工类学生掌握系统实验方法和接受实验技能训练的起点[1]. 大学物理实验旨在培养学生的创新能力、实验能力以及分析并解决问题的能力. 物理科学从来都不是只关注理论的学科，在实践中的发展与在实验中的发现是促进物理学发展的动力.

如今国家提出“大众创业，万众创新”的战略，极大地激发了创新这一“第一动力”，中国“智造”将成为我国制造业的标签，并为世界所认可. 作为培养专门高级技术人才的高校，其理论与教学的实践必须为时代服务. 物理实验教学，既是科学通识教育中的重要一环，也是创新理论与实验培养中的重要步骤，在培养大学生的创新能力与综合素质中具有重要的地位[2].

在大学物理实验教学中，引进了CDIO工程教育模式[3]，消化并吸收此模式的合理内核，可使得实验教育具体化、可操作、可测量，从而可指导师生的教与学的实践活动.CDIO体现了系统性、科学性和先进性的统一，代表了当代工程教育的发展趋势，也是实验教学改革的成功方向之一[4]. 在培养学生的创新能力方面，引进TRIZ创新理论. 通过对TRIZ理论的学习与实践，使大学生初步掌握创造性地解决问题的系统理论和方法工具，把偶然的、低层次的创新行为，变成为系统性的、可持续性的创造能力. 把TRIZ理论与CDIO理论结合起来，统一应用于大学物理实验教学中，称为“TRIZ-CDIO”的物理实验教学模式. 重视对学生动手和实验设计能力的培养，提倡师生在物理实验的课堂上互相学习、共同提高，并且创造性地解决身边的科学问题. 该模式以人为导向，因材施教，将创新思维贯彻于物理实验当中，使学生的实践素质得到全面提升，如今，教学改革已经初见成效.

1 TRIZ-CDIO实验教学模式简介

TRIZ-CDIO实验教学模式是在TRIZ创新理论和CDIO工程教育模式的基础上，结合我国大学物理实验教学的实践发展而来，本文介绍了TRIZ和CDIO及TRIZ-CDIO实验教学模式.

1.1CDIO工程教育模式

CDIO工程教育模式是近年来国际工程教育改革的新成果. CDIO是构思(conceive)、设计(design)、实现(implement)和运作(operate)的英文缩写. 该教育模式把工科学生所应达到的能力分为以下4个层面，即：工程基础知识、个人能力、人际团队能力和工程系统能力. 该模式强调学生学习的主动性、实践性和系统性，并以产品或工程项目的研发运行实施周期作为学生的学习和培养载体[5]. 从2000年起，麻省理工学院和瑞典皇家工学院等4所大学组成的跨国研究获得Knut and Alice Wallenberg基金会近2 000万美元资助，经过4年的探索研究，创立了CDIO工程教育理念，并成立了以 CDIO命名的国际合作组织，全球有200多所著名的大学已经成为该组织的成员[6]. 它的12条标准对整个模式的实施和检验进行了系统、全面地指引，使得工程教育改革具体化、可操作、可测量，并对学生和教师都具有重要指导意义. CDIO体现了系统性、科学性和先进性的统一，代表了当代工程教育的发展趋势.

我国高等工科教育的迫切任务是尽快培养与国际接轨的中国工程师，然而我国工科的教育实践中还存在不少问题，如重理论轻实践，强调个人学术能力而忽视团队协作精神，重视知识学习而轻视开拓创新的培养. Mc. Kinsey Global Institute 在 2005 年10月发表的报告称，2005 年中国毕业的约 60 万工程技术人才中适合在国际化公司工作的少于 10%. 究其原因，他认为“中国教育系统偏理论，中国学生几乎没有受到团队工作的实际训练，相比之下，欧洲和北美学生多以团队方式解决实际问题[7].”

因此，在我国的教学改革中，把CDIO的理念贯穿到实践教学环节中，是一种必然趋势.

1.2TRIZ理论简介

TRIZ是拉丁文Teoriya resheniya izobreatatelskikh zadatch的词头缩写，由俄文теории решения изобрет-ательских задач 转化 而来. 其英文全称是Theory of the solution of inventive problems，缩写为TSIP，译成汉语为“解决有关发明问题的理论”. TRIZ理论是阿奇舒勒(G. S. Altshuller)在1946年创立的， 阿奇舒勒也被尊称为TRIZ之父[8]. TRIZ理论成功地揭示了创造发明的内在规律和原理，致力于理清系统中的矛盾. 基于技术的发展演化规律来研究整个设计与开发过程，并且完全解决矛盾，获得最终的理想解，使得发明创造不再是随机的行为. 各国实践证明，运用TRIZ理论，可以加快创造发明的进程，能得到高质量的创新产品. 它能够帮助我们系统地分析问题情境，快速发现问题本质或者矛盾，准确确定问题探索方向，突破思维障碍，打破思维定势，以新的视角来分析问题. TRIZ理论引导我们进行系统化的思考，根据技术进化有规律地预测未来发展趋势，帮助开发富有竞争力的新产品[1].

把TRIZ创新理论用于教学，可以打破发明创造的神秘面纱，使创新创造有规律可循，帮助学生训练创新思维与创新能力，进而在专业知识的基础上，做出高水平的创新成果.

1.3TRIZ-CDIO物理实验教学模式

CDIO是一种先进的工程教育模式，既具有欧美传统的工程教学理念，也创造性地提出了新评判标准. 它强调把学生能力的培养贯穿在项目或产品的整个研发与实施周期中，并把学生的团队协作精神与能力的培养提到相当的高度[9]. 该模式的引用不仅可以培养学生的工程能力，还可以提高教学人员的技能水平. 通过借鉴其优点，并将其运用于物理实验教学之中，使得学生能力的培养与训练具体化、可操作、可测量. 同时针对学生创新能力不强，缺乏系统性创新培训的现状，引进TRIZ创新理论，不再一味地进行脑力激荡，强调发明创造可依一定的程序与步骤进行. 通过项目把想法转化成创新成果，在其过程中，运用物理实验技能和相关学科知识，使学生得到CDIO所规定的4个层面的能力训练[10]. 同时自觉按照TRIZ创新理论的指导，从而得到创新的理论与实践的训练，这就是TRIZ-CDIO物理实验教学模式.

2 TRIZ-CDIO物理实验教学模式的应用步骤

TRIZ-CDIO物理实验教学模式是系统教学改革项目，贯穿于物理实验教学的始终. 它要求依照TRIZ创新理论和CDIO工程教育模式进行教学设计并辅之以配套的教材和教案. 在教学实践中，师生共同设计适合的创新项目，在项目的完成中，培养学生的主动参与精神、创新精神与团队协同能力. 同时针对每个项目，设计可量化考核的能力评价标准，从而完成对学生的能力考核. 项目结束后，通过参与的师生的反馈，对TRIZ-CDIO物理实验教学模式进行相应的修正，使之不断地完善，同时具有向其他实践教学领域进行拓展的能力.

2.1在教材、教案与教学过程的设计之中贯彻TRIZ-CDIO理论与精神

TRIZ创新理论强调发明创造是有规律可循的，但高水平的发明创造是基于物理、化学、几何学等工程学原理构建的知识库而提出的问题解决方案. 这与CDIO理论所强调的工程基础知识能力是一致的，也与现行教材中强调的基础知识培养相一致[11]. 但是，TRIZ理论提供了创新思维与创新能力培养的方法，而CDIO则提供了工程人才培养的可操作、可评价的流程，把两者有机地结合在一起，要求教材应该兼顾知识性与创新性. 力求用创新项目的主线，把基础实验串起来，让学生在学习过程中，既成为实验的设计者、执行者和评价者，又成为创新项目的发起者、创造者和使用者. 前者要体现在CDIO的培养模式，后者要为培养学生的系统创新创造能力提供原理的准备与技术的支持. 限于篇幅，此处不再详述教材详情.

移栽机的核心部件是栽植机构，是保证秧苗栽植质量、提高工作效率的重要部件，它反映了移栽机的发展过程和进步水平。本文研究一种新型悬杯式移栽机的栽植机构作为栽植系统的研究基础，针对其在进行移栽作业时存在的一些问题，如移栽质量不稳定和钵苗直立度不能完全达到农业技术要求等，对栽植机构进行分析和改进，以寻求最优的结构形式和工作参数。

2.2师生共同设计创新项目，在项目的研发与实施中实践TRIZ-CDIO理论

在设计项目时，要考虑到学生的知识与能力水平，还要考虑到成果的新颖性、趣味性与实用性，同时又要兼顾其与物理实验的相关性. 运用TRIZ创新理论原理设计问题解决的步骤，利用CDIO教学模式培养学生在问题解决过程4个层面的能力. 通过创新性项目的完成，充实学生的知识库，提高工科学生的综合能力，培养其创新创造能力.

2.3实验创新项目结束，用TRIZ-CDIO的方法对教师的教与学生的学进行能力评价与反馈

评价与反馈是TRIZ-CDIO物理实验教学模式的重要环节. 该模式不仅要求教师有深厚的基础知识，还要深刻理解TRIZ理论与CDIO方法，同时还要向国内外的同行学习TRIZ和CDIO新的理论发展与新的成果[12]. 在创新项目的发掘与设计时，要求能够充分利用学生的兴趣点，发挥其能动性，又要求教师能够与学生一起对未知领域鼓起学习的勇气. 因此，评价与反馈不仅是对学生，也是对教师；不仅是对项目，也是对方法. 所以在项目结束之后，需要进行认真的总结与反馈. 通过实验创新项目的成果反馈，不断完善TRIZ-CDIO物理实验教学模式，并寻求在其他工程实践教学中的拓展应用.

3 TRIZ-CDIO物理实验教学模式的应用成果及实例分析

运用TRIZ-CDIO理论，实验中心的师生共同设计并完成了一系列的创新性项目，下面介绍比较成功的项目.

1)除霾新风系列：把室外新鲜空气净化后，再输入室内，除霾的同时，增加了室内氧气的含量，特别适合在中小学教室中安装. 同时，根据专业不同，给学生分组，分别针对家庭空调改造、中央空调改造、室内生态再造等，再加上对传感器的改进、对遥控器的改进，就成了系列设计. 这个系列，将来还可以根据科技的进步继续向下做.

2)高楼逃生系列：针对现在国内高层建筑在发生地震、火灾后，电梯失灵，走梯需要时间长，再无其他逃生途径的现状而设计的一系列工具，具有很强的实用性. 这个系列也具有可持续创新的特点，受到师生的欢迎.

3)停车架系列：针对目前城市中停车难，但现有的立体停车架造价高、难以推广的问题，提出了利用汽车自动力上升，利用弹性势能和重力下降的立体停车架的设计思想，该产品系列安全、简易廉价，分别针对不同的场地，进行了多种形式的设计，虽然仍停留在专利阶段，但应用前景很好.

5)网络无人值守商店、超市系列：在用户集中的地方，放置无人值守的售货终端，其货物的销售、配送、进货、上税、财务等全部由1台中心电脑完成. 用户可以线上、线下订购，还可以终端取货，由于采用了专用的销售柜，可以对鱼类和水果等冷鲜食品长时间保鲜. 这种商业模式基本可以替代现在的个体商贩和有人值守的超市，是一项行业内革命性的突破.

6)高层建筑噪音污染与防治系列：针对高层建筑中低频噪音很大，且没有针对性的解决方案，进行了一系列声学研究与产品研发.

以上这些系列项目，实际上包含了很多专业，可以吸引不同知识层次的学生和教师来共同创新. 通过TRIZ-CDIO模式进行教学与科研组织，让不同专业的学生在1个项目的完整实施过程中，得到相应的物理实验与基础专业素质两个方面的训练.

以下以师生共同制作的联合型荸荠收割机为例进行研究过程说明[13].

首先，运用TRIZ理论中创造性问题分析方法来解决现实问题. 荸荠易碎，且人工采摘前需要提前放掉农田中的灌溉水，再拨开8～15 cm厚的土层，小心地捏出球茎. 人工采摘劳动强度大，且效率低下. 师生成立团队，依据CDIO模式研究如何解决这个实际问题. 首先，在构思时，将团队分为动力组、采摘组、后期处理组、总装组，有效地将整个项目的难度均分，提升了所有参与人的个人工程能力[14]. 在对所有部分进行整合时，不同专长的组员发挥了自身优势，在与他人反复交流过程中又提升了整体合作能力. 在设计过程中，运用创造性问题分析方法来解决现实问题. 通过检索，团队发现了荸荠收割船，然后，运用部分超越法，团队发现该产品忽视了地形所带来的阻碍，而且在采摘完荸荠后无法对坑洼地面进行平整，进而应用抽取法，继续检索发现履带装置适用于此种复杂地形. 最终采用一物多用法，设计出履带结合滚筒的新型装置，巧妙地解决了上述问题，由此设计出了改良的荸荠收割机. 随后团队发扬实干精神，在实验室协力制作出工程机. 通过在不同环境下的测试，改良的荸荠收割机不仅解决了采摘过程中荸荠易碎的问题，又能有效平整洼地.

此次创新过程简明直观，由此可以看出在项目实施中，TRIZ法对于发明经验尚浅的学生提供了可实行的入门方案.

在专利申请成功后，该项目并没有结束，所有人一起对该工程进行了评析，对项目发展的管理、跨学科专业设计以及整个实施过程等方面进行了评估. 采用TRIZ-CDIO模式后，物理实验教学的整体能力得到显著提高，仅笔者带领的团队就已经完成了改进的杨氏模量测量仪[15]、基于RC522的公寓智能洗衣机控制器设计[16]、利用WGD-3型组合式多功能光栅光谱仪研究温度和高浓度溶液对吸光度的影响规律[17]、联合型荸荠采收机[13]、一种基于水浴和生态循环的室内新风净化系统以及智能停车管控系统等专利共计23项[18-19].

4 结束语

TRIZ-CDIO实验教育模式成功地将传统的学科教育转变为工程教育和创新教育，即课上给予学生充分的实验设计自由，课下让学生在项目实践中学习必要的知识. 通过发明创造项目的方式，既锻炼了学生的自学能力、主动参与能力、多学科知识库的交叉运用能力及团队协作能力，又将知识和能力转化成了应用性成果，从而实践了发明创造的理论，增长了创新的能力与自信. 在师生的共同努力下，这一改革已取得初步成效，学生的创新创业能力得到显著提升. 值得注意的是，TRIZ-CDIO是全新的教育模式，对教师与学校的要求很高. 让学生具备的能力，教师必须具备，而创新的前提是不断地学习与提高[20]. 因此教师的学习不能只局限于自己的研究领域，还要为高水平的发明准备更为完善的知识库. 学校对于教师的考核、学生的评价体系，要进行相应的改变，为学生创新所提供的教学条件也要相应地改变[21]. 因此，TRIZ-CDIO教育模式要不断地完善与创新，在成功的基础上，再在其他教学领域扩展，但不能盲目扩张. 如果在条件不完全具备时缩短设计过程，可能会使这一新的教学模式夭折. 因此，在教学改革中，还有很长的路要走，仍需要进行不断探索.

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PhysicsexperimentteachinginnovationbasedontheTRIZ-CDIOmode

GUO Xian-zhang, ZHANG Shu-mei, FANG Rui-dong, WANG Shu, LI Jun, XU Tian-yun, CHEN Yan-fu, WU Xue-han

(Northeast University at Qinhuangdao, Qinhuangdao 066004, China)

The TRIZ innovation theory and CDIO engineering teaching mode were introduced into physics experiment instruction. Combined with the innovative teaching platform and information platform, the TRIZ-CDIO teaching mode surely enhanced the attraction of the physics experiment teaching, improved the teaching efficiency, broadened the teachers’ and students’ horizons, and enhanced students’ innovative ability of entrepreneurship and scientific ability. All above teaching innovation provided a useful exploration for the practice of “mass entrepreneurship and innovation”.

TRIZ-CDIO teaching mode; physics experiment; teaching innovation

G642.423

B

1005-4642(2017)10-0044-05

[责任编辑：任德香]

2017-03-29

郭献章(1970-)，男，河北魏县人，东北大学秦皇岛分校实验教育中心高级实验师，博士，从事物理实验教学和工程力学方面的研究.