基于机械设计课程开展TRIZ理论教学的实践研究

辛礼兵

(安徽职业技术学院 汽车工程学院，安徽 合肥 230011)

机械设计课程是结合理论和实践进行教学的课程。它主要是培养学生具有丰富的实验思想，掌握实验方法和解决实验问题的手段，同时给学生提供综合性较强的实验技能训练，以培养学生的机械设计、研究和开发能力，为培养新时代的创新型人才打下坚实的基础。TRIZ是俄文“теории решения изобретательских задач” 的英文音译“Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch”的缩写，意译为发明问题的解决理论，其英文全称是Theory of the Solution of Inventive Problems。TRIZ理论是经过长期的探索总结出的具有严谨的逻辑性的理论，它能满足机械设计教学中的严谨性、逻辑性，同时在教学中加入TRIZ理论，就能够进行系统地分析问题，并快速地发现问题的本质和矛盾，准确的找到问题探析的方向，调动学生自主学习的积极性，打破学生原有的思维模式，从新的视角分析问题，结合逻辑性和非逻辑性的综合思维，创设出新型的产品。

1 TRIZ理论的内容

1.1 分析问题的方法和创新思维的方法

在TRIZ理论中给出了科学的分析问题的方法，对于较为复杂的问题，可采用建模的方法对问题进行分析。这些方法能够很快的发现问题的根本所在。

1.2 TRIZ理论的的核心

技术系统进化论是TRIZ理论的核心，该理论体现了产品的进化规律满足S- 曲线，如图1所示。

TRIZ理论把产品的进化过程分为婴儿期、成长期、成熟期和退出期四个阶段。通过这四个阶段的进化规律，对产品的结构、参数等技术状态进行分析，预测未来的发展趋势，以开发出适应市场竞争的新产品。

图1 分段线性S-曲线

1.3 针对设计技术矛盾的解决原理

在TRIZ理论中提出了39个通用工程参数来描述设计技术矛盾。在实际应用中，通常只采用其中的两个进行表示，把实际工程设计中的矛盾转化为标准冲突，这样形成了不同的设计作品共同的遵循规律，在TRIZ理论中把这一共同的规律划分成40个创新原理。在设计作品时可以在这些原理的基础上结合实际情况找寻具体的解决方案。

1.4 对设计创新问题的解法

在TRIZ理论中对于不同类型的物-场模型中的具体问题，给出了相应的处理方法，例如模型的转换、修整以及物-场的添加等。

1.5 设计技术系统中解决发明问题的方法

TRIZ理论在设计中解决发明问题的一般方法是把发明问题进行定义，之后再根据TRIZ理论中的方法把发明问题转化为标准问题进行解决，其解决方法图见图2。此外，TRIZ理论中还有ARIZ算法，主要是解决技术系统中存在的不明确矛盾，通过对问题进行一系列非计算性的逻辑，实现对问题的深入分析、转换至解决。

图2 TRIZ解决发明问题的方法

1.6 提供丰富的知识源

TRIZ理论集聚了物理、化学、几何学等工程原理和分析结果，能够为机械设计提供丰富的方案资源。

2 机械设计课程教学

2.1 机械设计课程的特点

机械设计课程的教学是以机械传动装置的设计作为出发点，对一些通用零件的结构、特点以及工作原理进行研究，掌握它的选用原则、设计方法、使用及维护等。同时，机械设计课程又是一门技术课程。通过对课程基础知识的学习和作业实践，培养学生对简单机械装置的选用、分析和维护的设计能力。机械设计课程综合了工程图学、工程力学、机械工程材料和热处理等课程知识和实践经验，通过对此课程的学习解决通用的机械零部件的设计问题，为以后的机械设计工作打下基础。机械设计的流程如图3所示。

图3 机械设计流程图

2.2 机械设计课程教学方法

机械设计课程是一门技术基础课程，主要是针对一般工作条件和通用机械零件的工作原理、设计理论、计算方法和机械系统方案进行设计研究。它的目的是使学生掌握机械设计理论的基本知识，同时培养学生的实践能力和创新能力。机械设计课程常采用讲授式、启发式、讨论式以及案例式等教学方法，在课程教学过程中要结合实际的教学内容把这些教学方法进行有效的结合。此外，为了达到更好的教学效果和学生创新能力的提升，教师可以借助多媒体动画软件或是利用实物、模型等手段给学生直观的展示教学内容，这样更能激起学生的学习兴趣以及创新思维的开发。

2.3 机械设计课程教学过程中存在的问题

(1)机械设计课程教学内容较多，目前高校的教学任务都较为繁重，针对此情况，各校均采用压缩课时来解决，因此，在教学过程中教师从众多的模型中选比较重要的几个简单模型进行讲解，但教授的对象又是不同专业的学生，这样概括性的讲解会造成学生的模糊理解。

(2)机械设计课程是一门实践性较强的课程，一些学校教学内容安排不太合理，使得实践教学跟不上理论教学，使学生在学习过程中感到十分困难。

(3)机械设计课程具有较强的理论性，并且概念都比较抽象。在教学过程中一些教师偏重课堂讲授且理论性内容讲述占很大的比例，造成学生对此课程的重视度下降，创新思维减弱。

3 机械设计课程教学中应用TRIZ理论的意义

3.1 TRIZ理论内容中的冲突矩阵的学习丰富了学生解决机械设计中问题的方法

在机械设计中的发明问题，其主要特征是存在冲突。而TRIZ理论中的ARIZ算法把初始的问题用管理冲突进行描述，之后再在TRIZ的资源库的实例中寻找相似的问题进行类比求解，在无法求解的情况下就转化为技术冲突，利用40条创新原理进行求解，若问题还无法解决时，就要进行深入分析，来寻找物理冲突，由理想解来确定物理冲突。其求解图如图4所示。

图4 ARIZ算法流程图

ARIZ算法在解决问题的过程中要求开阔思路，寻找创新的求解思路，其中最主要是，利用TRIZ理论中的工具，结合一系列的心理算法，克服原有的思维模式。

3.2 TRIZ理论的应用增加学生的创新意识和发现问题的能力

TRIZ理论认为：解决技术系统中存在的冲突是促进技术进化的根本动力。因此，在机械设计课程教学中引入TRIZ理论，就能够培养学生的创新意识，通过对机械设计中问题的解决，增加学生主动发现问题的能力。此外，在课程讲授过程中运用TRIZ理论，还能对常用机构进行创新。

例如：在给学生讲授“机械运动速度波动的调节”的内容时，可以拿现实中的地下车库中的通风设备为例，班级分组，让小组提出设备改进方案。要求是，叶片的强度增强，要易于制造，维修简单且成本低，不能有大的外观改动，减少对工人技术的依赖性。

针对此例，学生按要求总结：提高强度，叶片和轮毂进行整体铸造；维修简单且成本低，更换低成本轮毂。用TRIZ理论中的冲突矩阵反映此例中的要求：“强度”和“方便性”呈相反趋势，“易维修性”和“复杂性”呈相反趋势。对此利用TRIZ理论中的40条创新原理寻找解决方案。综合各方面的要求可采用下述方法。

创新原理1：分割原理。把轮毂的基座和叶片进行拆分，再把其主轴和基座铸造在一起，最后使叶片与轮毂基座进行配合，对叶片进行固定。

创新原理2：分离原理。把风机的叶片进行单独制造，利用铸造工艺提高叶片的强度，把叶片的底部设计成杆状并和轮毂进行联接。

创新原理10：预先作用处理。叶片和轮毂采用活动联接方式，为了快速装卸，不同型号的风机采用统一结构的轮毂，只更换叶片的型号，以满足风机叶轮互换的要求。

3.3 运用TRIZ理论进行机械设计增加学生的自主学习能力和创新实验能力

例如，要学生运用TRIZ理论设计螺丝刀，要求：省力、快速。学生在设计时首先是对此设计项目的特性进行分析，在TRIZ理论中39个标准参数中寻找适合的描述，如“#25时间损失”、“#33 可操作性”改善设计的特性，之后根据对于“#33 可操作性”的创新原理：分隔、反向、分离、动态化、维数变化、等势性等，根据40个原理中的运用设计出多种创新型的螺丝刀。

通过这样的理论实践教学，学生自己通过查阅文献和调研，找寻具体的实验方法，在通过和老师或同学的讨论得出具体的实施方案和实验步骤，再结合TRIZ理论中的丰富资源、创新解法和工具实施设计实验。经过这样的教学过程使学生的独立思考能力得到了锻炼，同时增加了其团队协作意识，更重要的是提升了学生的创新能力和实践能力。

4 结束语

创新是一个民族发展的命脉，而TRIZ理论是一种最为先进的创新型理论，在机械设计课程中开展TRIZ理论，即是把创新原理和冲突解决原理在教学过程中得以应用。它能打破原有的思维模式，用新的视觉来分析问题，进行逻辑性和非逻辑结合的系统思维。学生通过对TRIZ理论的原理和解决问题的具体方法的掌握和运用，克服惯性思维，提高主动学习的积极性。同时，TRIZ理论教学还能开阔学生的思路，激发学生的创新热情和创新潜能，再通过TRIZ理论中的实践教学，培养学生的创新能力和实践能力，最终实现在教学中培养创新型人才的目的。