基于TRIZ理论视角的电工学教学探索

2020-06-01张优贤

教育观察 2020年6期

刘毅，赵斌，张优贤

(河南工学院电气工程与自动化学院，河南新乡，453003)

一、电工学课程教学现状

电工学课程是非电类工科专业的根基，为学生学习专业知识和从事工程技术工作奠定电学的理论基础，并使他们受到基本的实践训练。[1-2]课程主要由电路分析、模拟电子技术、数字电子技术、电机学以及电力电子知识构成。[3]传统的电工学教学主要有以下特点。首先，课堂气氛不够活跃。随着科学技术的进步和电子技术的迅猛发展，非电专业的学生对电工学课程也产生了不同层次的需求。虽然学校针对不同群体制定了相应的培养方案，但课堂趣味性没有得到提高。在目前的理论教学当中，由于电工学课程内容枯燥，对学生的吸引力不强，导致课堂气氛不活跃，学生的学习效果不佳。其次，理论与实践分离。随着社会的进步，各个高校都在开展理实一体化教学，但电工学课程大多为验证性实验教学，只是基础内容的简单强化，没有大幅度地提升学生的实践操作能力及创新能力。最后，教学手段有待进一步提高。虽然信息技术迅速崛起，大部分高校采用“多媒体+板书”的教学方式，相比粉笔教学有很大进步，但“智慧教室”数量不够充足，学生学习自主性未能得到最大化的挖掘。

二、TRIZ 理论体系

苏联发明家阿奇舒勒及其团队对近250万件发明专利进行类比和研究后，在1946年提出了TRIZ理论。[4]TRIZ是俄文字母首写，指的是发明问题解决理论，是基于知识的、面向人的发明问题解决系统方法学。[4-5]1989年之前，“TRIZ”理论一直是苏联的国家机密，如今，利用TRIZ理论解决技术难题的企业越来越多，如轰动一时的“三星效应”：1997年，三星公司负债170亿美元，濒临破产，三星公司花费巨额佣金聘请TRIZ专家，同时成立专门的TRIZ队伍；2006年，三星市场价值总额超过1000亿美元，成功超过索尼。TRIZ理论因其对创新研发的助推力及对人类社会产生的积极影响而受到广泛认可。TRIZ理论的核心思想为：很多的方法和原理在发明的过程中是在重复使用的；技术系统的进化和发展并不是偶然的，而是遵循一定的客观趋势；技术系统的无序和离散问题，可以通过建模(系统模型、物场模型)的方式来解决。[5]TRIZ理论不是采取自我损失或者自我降低标准的方式进行的，而是基于技术的发展进化规律以及分析钻研技术的设计与开发过程，不是偶然的结果。TRIZ理论认为“发明问题”的命脉在于解决矛盾，在“设计过程”中不断地发现矛盾，利用“发明原理”解决“冲突”，才能获得最终理想解。[5-6]

TRIZ理论提供了多种打破惯性思维的方法，如九屏幕法、小人法、金鱼法、STC算子、IFR等，帮助人们快速跳出惯性思维的禁锢，寻找更多的角度来分析问题。[4]TRIZ理论的工具可以系统地分析问题情境，快速发现问题本质或矛盾，准确确定问题探索方向。TRIZ理论还会引导人们进行系统化的思考，根据技术进化曲线预测技术产品的未来，帮助开发富有竞争力的新产品。因此，高校可以结合电工学课程的关键知识点，将TRIZ理论应用于电工学课程教学当中，引导学生使用TRIZ理论和方法剖析元器件，理解电路的实现过程以及改进过程，使学生在轻松的课堂气氛中对关键知识点有深刻的理解，同时习得科学的创新方法，帮助他们打破惯性思维怪圈，结合专业知识，做出高水平的创新成果。

三、TRIZ理论在电工学课程教学过程中的应用

(一)突破惯性思维的创新方法在电工学课程教学过程中的应用

惯性思维是每位学习者难以避免的思维定式。惯性思维有时可以让学习者少走弯路，但惯性思维也会将学习者的思想禁锢，使其难以跳出专业定式、术语定式等，最终导致创新力不足的问题。本研究尝试将TRIZ的思维方法引入课堂当中，先用九屏幕法对整本知识进行划分，引入概念，在后续关于电路模型课程的讲解中引入金鱼法，在电路的改进中引入小人法，以此帮助学生在了解知识的同时，学习克服惯性思维的方法。这种教学方法不仅将枯燥、难懂的电学知识变得生动有趣，而且对其他专业课程的学习也颇有帮助。

(二)技术系统进化法则在电工学课程教学过程中的应用

技术系统进化论是TRIZ的重要理论，技术系统变化同生物进化有相似之处，也会向着适应人们需求的方向发展。阿奇舒勒技术系统进化论以八大进化法则的形式进行表述。在电工学课程教学中，教师可以引入进化法则，用进化的眼光来看待电路系统的发展，如在介绍电子管的发展史时引入增加集成度再采用简化法则。该法则是指技术系统首先趋于集成度增加的方向，紧接着再进行简化的过程，电子管的发展经历了电子管、晶体管、集成电路、大规模集成电路阶段。现在的超大规模集成电路可以实现在几十平方毫米的板上集成上亿电子管，根据向微观级和场应用的进化法则给出电子管的下一步发展方向，即将会沿着减小它们尺寸的方向进化，倾向于达到原子和基本粒子的尺度；再根据提高理想度的进化法则，进而指出电子管的发展总是朝着提高理想度的方向发展，技术系统最终朝着提高其理想度水平的方向发展。

(三)矛盾及对应原理在电工学课程教学过程中的应用

矛盾是一种普遍的自然现象，在技术系统中也是普遍存在的。阿奇舒勒认为技术系统是在不断地解决矛盾的过程中进化的，将矛盾分为技术矛盾和物理矛盾，解决问题的步骤如图1所示。

在电工学课程教学过程中，对于某些电路的发展，引入矛盾的概念，通过TRIZ的解决模式学习电路的优化过程，将电路问题通过TRIZ解题步骤来解决，可以使问题及课程内容变得生动有趣。如电子技术中静态工作点的稳定电路——分压偏置电路，静态工作点的合理设置将直接影响放大电路信号是否正常，温度、元件老化等因素影响静态工作点，其中温度受到的影响最为突出，进而提出对电路进行改进，引进基极电阻和发射极电阻。其中，基极电阻将基极电位钳制在某一固定值，发射极电阻通过采样来实现自我调节，但是发射极电阻的引入将大大影响整个电路的放大倍数，即引入发射极电阻使得静态工作点得到了改善，却使得放大倍数降低。通过将实际问题抽象化得到TRIZ理论的问题模型，该技术问题引入发射极电阻，改善了阿奇舒勒39个工程参数中的26号参数，即可靠性，恶化了阿奇舒勒39个工程参数中的22号参数，即能量损失。通过查找表1所示的阿奇舒勒矛盾矩阵表找到TRIZ给出的创新原理启示：预先作用原理(第10号原理)、事先防范原理(第11号原理)、改变物理或化学参数原理(第35号原理)，结合实际电路，采用预先作用原理(第10号原理)，最终转化成电学实际问题模型，采用在发射极电阻旁边增加电容的方式来消除放大倍数的影响，提高电路稳定性。