基于TRIZ的油气储运工程专业学生创新与实践能力培养

毕海胜，李慧瑶，郭建章，卜秋祥，戴 萍，夏丰金，王海霞

(青岛科技大学，山东 青岛 266061)

创新是一个民族、一个国家强大的不竭动力，科技的进步和知识的创新愈加决定国家的发展进程。而当今大学生是富有智慧的一体，是有创造力的一代，是未来创新的主力军。为贯彻国务院《关于强化实施创新驱动发展战略进一步推进大众创业万众创新深入发展的意见》，培养适应创新型国家建设需要的高水平创新人才，为国家《中长期油气管网规划(2016-2030)》的实施输送合格创新型应用人才，青岛科技大学油气储运工程专业一直以来非常重视学生创新能力的培养，不断改革人才培养模式，修订人才培养方案，强化创新能力训练。从2015级开始，就在本科生班级中成立科技创新小组，鼓励参加各类科技创新创业大赛，在不同年级之间形成良好的“传、帮、带”的科技创新氛围。在本科人才培养方案中增设创新实践学分，特别是2018年新开设了基于TRIZ的《创新方法与创新设计》课程，进一步增强大学生创新创业能力和动力，尤其对学生自主创新能力的提高起到至关重要的作用。本文针对TRIZ创新方法以及学生创新作品进行分析与思考，对TRIZ这种创新课程进行了有益的探索和大胆的尝试。

1 TRIZ的基本概念及发展

TRIZ是前苏联伟大发明家根里奇·阿奇舒勒(G. S. Altshuller)，自1946年开始，在研究世界各国大量高水平专利的基础上，提出的具有完整性的发明问题解决理论，是拉丁文Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch的词头缩写，其意义为发明问题解决理论。20世纪80年代中后期，TRIZ理论逐步传播世界，在创新领域产生了深远的革命性的影响[1]。

1.1 TRIZ基本原理

TRIZ将工程中的问题统一归为两类：通常问题与发明问题。通常问题其解是已存在的，可以从专业书籍或领域专家获得问题的解；而发明问题一般含有相互矛盾的需求或者存在“冲突”。G. S. Altshuller认为，解决发明问题的基本原理是客观存在的，这些客观存在可以被整理而形成一套理论，掌握该理论不仅可以提高创新成功率、缩短发明周期，而且可使发明问题的解具有可预见性[2-3]。创新的关键是解决发明问题，创新的实质就是在解决问题过程中克服“冲突”。TRIZ是创新方法进化到高级阶段的产物，运用TRIZ解决发明问题也加速了创新的过程。

1.2 通用工程参数

技术冲突是普遍存在的，影响冲突的工程参数也是多样化的，为了简明的表达冲突，采用一种通用化、标准化的方法来描述技术冲突。因此，TRIZ理论提出39个通用工程参数描述冲突。对于实际的问题，首先提炼出一组或多组冲突，即创新问题，然后把组成冲突的双方内部性能采用39个参数来表示，把实际工程设计中的冲突转化为标准的技术冲突，见表1。

表1 通用工程参数

表1(续)

图1 TRIZ桥简图

39个通用工程参数是连接具体问题与TRIZ的桥梁。借助于39个通用技术参数，可以将一个具体问题转化并表达为标准的TRIZ问题，如图1所示。

1.3 发明原理

TRIZ理论指出，在以往不同领域的发明创新中所用到的规则并不多，无论是不同时代的发明，还是不同领域的发明，这些规则被反复采用。每条规则并不局限于仅能用于某一领域，它是融合了各工程领域的原理，适用于不同领域的发明与创新。TRIZ实践证明的40条发明原理如表2，每条发明原理通常包含若干个子原理，它们往往形成一个原理链，后一条子原理是前一个子原理的发展[4]。

表2 发明原理

1.4 冲突矩阵

将描述技术冲突的39个工程参数与40条发明原理建立对应关系，即冲突矩阵。冲突矩阵为40×40的一个矩阵，其中第1行或第1列为顺序列出39个描述冲突的工程参数的序号，其余39×39形成一个作用矩阵，矩阵元素或空白或有几个数字，这些数字即为40条发明原理中推荐采用的原理序号。如图2所示，矩阵中的行表示冲突中恶化的一方，而列所代表改善的一方。

图2 冲突矩阵局部图

2 TRIZ在油气储运创新的应用

学生对新开设的基于TRIZ的《创新方法与创新设计》课程兴趣很高，课堂气氛热烈。在此之前，学生普遍认为，创新是偶然的，无规律可循的，大多来自于瞬间的某种灵感；创新只是少数人能做到的，不是大众的。课程结束后，学生彻底改变了之前狭隘的认知，慢慢接受创新是有章可循的，是能找到相对捷径的，打破思维惯性，可以提高创新的效率和成功率。

基于TRIZ的原理，油气储运工程专业学生突破惯性思维，大胆创新，并取得了很好的成效。以学生设计出的一种油水分离装置为例。

国家对含油污水的排放标准提出了严格的要求，2015年4月发布了GB31570-2015《石油炼制工业污染物排放标准》，取代了GB8978-1996《污水综合排放标准》，特别保护地区执行的一级排放标准由5mg/L以下提高至3mg/L以下。传统的基于重力分离、过滤的含油污水处理装置已很难满足要求，急需开发出新型含油污水处理装置。基于此，学生首先设计出了一种利用石墨烯海绵作为吸附材料的含油污水处理装置，如图3和4所示，主要由分离筒、压杆、液体分布器及油含量测定仪等组成。

1-压杆、2-分离筒外筒、3-液体分布器、4-进水阀、5-进水泵、6-石墨烯填料、7-分离筒内筒、7.1-挤压出油区域、7.2-进水区域、7.3-控水区域、7.4-网孔底板、7.5-挡板、8-出水阀、9-出油阀、10-油含量测定仪、11-传动轴、12-出油接管、13-出水接管

图3 含油污水分离装置结构简图

1-分离筒内筒；2-进液管；3-气压杆；4-分离筒外筒；5-支架

含油污水分离装置的工作过程主要分为油吸附过程，控水过程及排油过程。充分利用了新型石墨烯优异的亲油疏水性能和弹性，并通过挤压恢复再生能力，实现了含油污水的分离。但是存在一个缺点，由于挤压杆的存在，使装置结构无法实现连续生产，即在挤压杆工作时，内筒将停止旋转，待挤压完毕，挤压杆离开才可以继续旋转，这样就造成了时间的损失，效率偏低。

学生基于TRIZ创新方法，针对油水分离器挤压杆的存在无法实现连续性运行，造成时间上损失的问题，通过TRIZ归结为1组标准冲突“运动物体作用时间”和“时间损失”，其中“运动物体作用时间”是指挤压杆上下运动时的作用时间。具体解决方案的过程解析如图5所示。

图5 基于TRIZ油水分离装置的改进解决方案

查阅冲突矩阵表得出相对应的发明原理有NO.10:“预操作”，NO.20:“有效作用的连续性”，NO.18:“振动”，NO.28:“机械系统的替代”，经分析筛选，可以利用第20条发明原理“有效作用的连续性”解决此问题。其内涵有两种：

(1)物体的各个部分同时满载持续工作，以提供持续可靠的性能；

(2)消除空闲和间歇性动作。

由此可以通过消除间歇性动作，即将压杆的上下间歇性动作取消，通过改变石墨烯海绵的挤压方式来实现装置的连续性。根据TRIZ发明原理第20条“有效作用的连续性”考虑改变压杆压缩石墨烯海绵回收污油的方式。利用偏心轮的原理改变筒的结构，将挡板设计成具有伸缩性的挡板，通过改变每个筒槽的容积来实现挤压石墨烯海绵来回收污油，具体结构如图6所示。

1-4控水区域；5-8-挤压区域；9-泵；10-电动机；11-液体分布器；12-外筒；13-内筒

图6 基于TRIZ的偏心筒油水分离装置

当筒槽转至第5号区域时出现挤压效应，随着内筒的转动石墨烯海绵进一步被压缩，在图中所示5号至8号区域均为挤压区域，含油污水在1部分通过液体分布器连续通入内筒，1至4区域为控水区域。

与之前的分离筒结构相比，该分离筒去除了挤压杆，即不利用挤压杆挤压石墨烯，而将分离筒用可压缩性挡板分为8个体积可变的部分，每个部分内都装有同样大小的石墨烯海绵，在偏心轮的作用下，使吸收了含油污水的石墨烯海绵在旋转过程中被压缩，达到油水分离的目的。

3 TRIZ对学生创新能力培养的深入探索与思考

国家建立了“大众创业、万众创新”的“双创”政策库，对新形势下高等学校毕业生的自主创新能力提出了更高的要求。深化高校创新教育改革，是国家实施创新驱动发展战略、促进经济提质增效升级的迫切需要，是推进高等教育综合改革、促进高校毕业生更高质量创业就业的重要举措。近年来，高校双创教育不断加强，对促进学生全面发展、推动毕业生创业就业、服务国家现代化建设发挥了重要作用。基于TRIZ的创新理论，正是适应了新形势下国家对高校“双创”教育改革的迫切需求。特别是对于油气储运工程这种特色交叉学科，学生具备宽厚的专业基础和较大的创新潜能，培养学生的创新精神、创新能力和创业意识是创新教育改革的总体目标，当前，实现这一目标的任务艰巨而紧迫。为此，基于TRIZ提出学生创新能力培养的几点探索与思考：

3.1 加强教师创新教育教学能力建设

“以学生为中心”是工程教育专业认证的核心理念，而学生创新能力的培养仍需要教师的全面引导。青岛科技大学油气储运工程系非常注重教师创新教育教学能力建设。目前已有3名教师参加国家技术创新方法与实施工具工程技术研究中心创新培训班[5]，并获得师资培训证书，其中1名老师获得TRIZ国际二级证书。相继承担了机电工程学院油气储运工程、能源与动力工程、过程装备与控制工程等专业《创新方法与创新设计》课程的讲授。

3.2 创新人才培养机制

明确把创新精神、创业意识和创新能力作为评价人才培养质量的重要指标，并适时修订人才培养方案。开设跨学科专业的交叉课程，探索建立跨学科、跨专业交叉培养创新人才的新机制，促进油气储运工程专业人才培养由学科专业单一型向多学科融合型转变。新开设的《创新实践》课程与机械工程专业交叉，增设的《创新方法与创新设计》课程与过程装备与控制工程等专业融合，取得了良好的效果。此外，积极探索校企协同育人新机制，将TRIZ理论服务企业产品创新和提高学生创新能力无缝对接起来，探索建立需求导向型人才培养类型结构调整新机制。

3.3 探索改革教学方法和考核方式

注重启发式、讨论式、参与式教学，培养学生的批判性和创造性思维。改革考试考核方式，不再采用传统的试卷考试，而是通过将学生分组，组内分工协作、共同讨论完成一个创新作品。同时加强过程考核，大幅度提高过程考核成绩在课程总成绩中的比重。特别强调团队协作，共同参与，一定程度上也提高了团队协作能力。

3.4 探索创新学分转换机制

设置创新学分，建立创新学分积累与转换制度。例如，学生参加各类科技创新大赛获奖、TRIZ创新方法大赛、获得专利、发表论文等，可以折算为学分。探索设立创新奖学金，科技创新保研机制等，鼓励并优先支持有意愿有潜质的学生大胆创新。使万众创新逐步落实到每一位大学生，也使当今大学生成为国家万众创新的中坚力量。