基于TRIZ理论的工作坊模式在食品机械设计教学中的应用初探

（滁州学院生物与食品工程学院，安徽滁州 239000）

食品机械设计是食品科学与工程专业的核心内容，随着食品工业对机械设备自动化、先进性、精密性要求的不断提高，需要更多的专业人才对食品机械进行改造或再创造以符合灵活多变的市场需求。日常教学中，对于食品机械设计多采用讲解和多媒体演示等方式，帮助学生熟悉现有机械与设备的构造及应用，但对如何启发学生产生改造性或突破性的创新想法并无显著效果。近年来我们在教学中尝试应用TRIZ理论，邀请校外行业专家一起采用工作坊教学模式，寻找一种有效培养学生创新思维和创新能力的教学方法，使学生能够主动应用创新理论解决食品机械设计问题。

一 基于TRIZ理论的工作坊模式教学思路

TRIZ理论是由前苏联发明家阿奇舒勒通过对近250万份高质量发明专利分析、归纳、汇总、重组后，提出的一种问题解决理论，可应用于工程技术、医学、教学、管理等领域。[1]TRIZ理论是目前唯一能够提供解决方案的工具包，特别是在思路萌发和问题解决的环节，能够有效帮助研究者产生创新理念从而得到解决方案。Gordon等认为机械产品创新设想产生在模糊前端阶段，将TRIZ理论应用于模糊前端阶段，构建出各类设想模型，最终可得到先进性好、可行性高的解决方案，从而为机械设计产品的创新实现奠定有力的基础。[2]

“工作坊”概念是由美国学者劳伦斯·哈普林（Lawence Harplin）率先提出，自90年代传入我国后，因其互动性强、开放度高、易激发创新方案等特点成为高校课程教学争相尝试的教学手段。[3]但目前在应用型本科院校食品机械设计类课程教学上的实际运用案例还很少。工作坊模式是将十余名学生组成一个团队，每个团队在主持人（高校教师、企业专家等）的引导下，通过资料搜集、头脑风暴、小组讨论、组间竞争等方式共同探讨某个话题，以得到多个有效的产品或设计方案。

食品机械设计创新一般通过创新理念设计、制造、商业化三个阶段实现，而创新理念设计又是机械产品创新的核心阶段。[4]因此，应用TRIZ理论训练学生的创新思维，采用工作坊教学模式给予不同学生团队任务目标，并邀请主题相关的企业专家共同指导学生完善设计方案，最终旨在培养创新思维活跃、问题解决能力卓越、团队协作能力优秀的应用型食品工程创新人才。

二 基于TRIZ理论的工作坊模式教学设计

（一）教学内容设计

以食品机械设计中杀菌设备设计为例，食品工业中常见杀菌设备表面均有密封件，测量杀菌锅内样品温度的探针需从密封件中通入，由此会影响密封件的密封性，时有蒸汽泄露现象成为安全隐患。本研究以“改善灭菌锅密封件的密封性”为例，邀请企业食品装备专家共同指导各个学生工作坊应用TRIZ理论对密封件系统进行分析，拟得到可行性高、安全性强的密封件改造方案。

（二）校企双师配置及管理

1.企业专家配置

针对杀菌设备改造，可邀请知名杀菌设备制造企业的资深工程师。企业资深工程师一直从事设备的研发工作，能给予学生最贴近市场的实战指导。笔者所在食品学院长期与滁州及周边企业保持良好互动关系，因此可根据课程内容邀请对应的企业专家开展教学活动。

2.校企双师管理

为保证教学效果，高校教师需提前与企业专家沟通谋划，以发挥最大作用。具体注意事项如下：

一是课前筹划。根据课程主题，高校教师与企业专家共同设计教学内容，使教学内容衔接自然、避免重复，科学有序地分配学时。

二是课上指导。各个学生工作坊团队开展思考与讨论时，企业专家和高校教师均要结合自身知识体系与经验给予学生启发性的指导，而不要直接给出问题答案。笔者（周頔）通过国内创新方法研究会的培训与考核已获得创新工程师二级资质，对TRIZ理论有一定的应用经验，因此我们将侧重指导学生对TRIZ理论的理解与掌握；企业专家将根据多年市场实战经验侧重对学生所得方案可行性、应用性、市场化的把握。此外，校企双师要相互配合，把控课程节奏，共同启发学生的创新思维，并帮助学生尽可能地完善产品。

三是评价环节。高校教师从方案的创新性、技术性、完整性等方面给予客观评价，企业专家从方案的市场化、可行性、合规性等方面给予客观评价，也可将学生产品与市场优秀成熟产品进行对比评价。

（三）教学方式的具体设计

针对“改善灭菌锅密封件的密封性”这个问题，校企双师将指导各个学生工作坊学习，并掌握TRIZ理论中最常用的裁剪分析法和物场分析法的逻辑思维以及基本方法，后由学生团队针对问题提出改善方案。具体教学方式见表1。

表1 教学方式简表

三 基于TRIZ理论的工作坊模式教学效果

（一）有效激发创新思维，显著提升学生综合素质

基于TRIZ理论，各个学生工作坊团队在企业专家与高校教师的共同指导下开展了主动学习、问题讨论等一系列学习活动，最终可得到数种方案。此外，各个工作坊成员在整个学习活动过程中的语言表达、团队协作、沟通交流、汇报答辩等能力均得到不同程度的提高，有效契合了企业对应用型高校本科生综合素质的要求。现将学生得到的代表性改善方案辑录如下：

1.裁剪分析法的改善方案

图1展示的是学生团队分析得到的灭菌锅密封件的各个组件及其功能图。系统中的方矩图框代表组件，实线箭头代表组件之间有益作用的方向，虚线箭头代表组件之间有害作用的方向，箭头上的文字代表组件与组件之间的作用关系。根据系统分析的结果，对价值低、功能类似、具有害功能或离系统作用对象最远仅提供辅助功能的组件进行裁剪，用叉型符号标注。

图1 密封件系统裁剪前组件模型图

通过对图1蒸汽灭菌锅密封件系统裁剪分析，发现该系统中可将大螺帽盖、大螺帽身、螺栓、内部螺帽均裁剪掉，四孔橡胶圈和空心橡胶圈实现自我压紧，二者相连阻隔水蒸气实现密封。通过系统裁剪分析后，得到的新方案为将原有密封件改装为新密封件，其形状上设计为中间有两层圆片状吸盘式橡胶垫、上下为中心有孔的圆柱形橡胶塞，并使用时上层圆垫用耐高温密封胶粘结在灭菌锅面上，下层圆垫置于灭菌锅内部，紧贴锅曲面，双重保障塞子喷出。材质上，选取耐高温、有热胀冷缩功能的材料，更易于塞紧洞口。

2.物场分析法的改善方案

依据物场分析法对密封件密封性不足的问题进行解决，第一，建立原始物场模型，根据因果分析发现四孔橡胶圈处密封性不足的原因之一：孔隙的存在使水蒸气有泄露的路径，具体如图2-(A)所示；第二，通过查找76个标准解发现“引入改进的S1来消除有害作用”适用于解决问题，即新增一个空心橡胶圈，外径和四孔橡胶圈底部直径相同、内径能遮住四孔橡胶圈一半的空隙，从而减少蒸汽的畅通，达到双重密封的效果；第三，得到该项目解决方案的物场模型，具体见图2-(B)所示。

图2 物场模型图

（二）创新设计产品为导向，助力学生竞赛斩获佳绩

我们自2017年开始尝试新的教学模式，基于课程内容设定不同的设计任务，指导学生课上形成设计方案、课下实践完善方案。我们积极指导食品专业学生将最终设计方案参加专业创新竞赛，两年间学生团队体现出的热情与成果超出预期（见表2）。其中我们带领的一支设备设计类产品代表学校参加2018年安徽省互“联网+”大学生创新创业大赛，首次突破创意组金奖。

表2 指导学生参与竞赛获奖情况

四 结语

食品科学与工程专业注重工程知识与能力的培养，要求学生具备很强的工程设计能力、实操能力和综合运用知识能力。食品机械设计作为该专业核心内容之一，其设计理念及运行特点直接影响食品加工的各个环节。创新是食品机械设计的灵魂，而大部分学生很少真正接触食品机械，因此对食品机械的整体感知力较差、对机械设计优化的想象力不多。本文以改善密封件密封性为例，通过校企双师共同指导本科生应用TRIZ理论中经典方法得到了创新性解决方案，对增强学生的创新意识和创新能力起到了显著作用。此外，课后注重孵化学生的创意产品，最终获得了超出预期的理想效果。学生在掌握TRIZ理论中几种方法的要素后，面对未来遇到的各种食品工程技术问题，可独立找到一个或多个问题解决方案，有助于本科生真正成为应用型工程创新人才。