基于TRIZ创新理论的教学模式在机械类CAD/CAM/CAE教学中的应用——以山东华宇工学院机械工程学院为例

姜利华

(山东华宇工学院机械工程学院，山东 德州 253034)

随着现代机械行业的快速发展，机械类人才不仅要具备坚实的专业应用能力，还要熟练掌握相关的英语和计算机知识，具有较高的创新能力[1]。现阶段，机械类工作主要包括设计、生产管理、工艺、设备操作与维护等岗位，其中大部分岗位要求学生具备良好的CAD/CAM/CAE应用能力，能够通过CAD/CAM/CAE准确高效地完成工作[2]。

1 CAD/CAM/CAE教学中的主要问题

CAD(计算机辅助设计)/CAM(计算机辅助制造)/CAE(计算机辅助工程)是机械专业的专业基础课，其中的二维CAD机械设计模块教学主要是指导学生在计算机上通过相应的绘图软件快速准确完成机械图纸的绘制，CAD/CAM/CAE综合模块教学主要是对学生的三维造型机械设计与装配、分析和加工自动编程、工程应用等能力进行培养与锻炼。CAD/CAM/CAE教学可培养学生的三维设计能力，同时可提高学生在机械设计、机械绘图及机械制造工艺等方面的综合运用能力，教学效果良好，但缺乏对学生创新活动的理论指导，难以充分发挥学生的创新能力。此外，CAD/CAM/CAE教学中工程实训内容不足，不能对学生的工程实践能力进行充分锻炼。

CAD/CAM/CAE教学中的主要问题可归结为教与学、学与用这两方面。教与学问题是未将CAD/CAM/CAE教学与专业课程进行深入联系，亦忽略了对学生创新能力的培养。学与用问题是指学生在CAD/CAM/CAE学习中难以找到解决问题的创新思路与方法。在改革前的CAD/CAM/CAE教学中，未能将教、学、用紧密结合，影响了学生创新与实践能力的提高。

2 基于TRIZ创新理论的CAD/CAM/CAE教学改革

2.1 TRIZ创新理论

TRIZ创新理论源于原苏联发明家根里奇·阿奇舒勒1946年提出的发明问题解决理论，其目的是研究人类在进行发明创造、解决技术难题过程中所遵循的科学原理、方法与规律，其核心是创造性问题的解决理论和方法[3]。TRIZ创新理论中包括组合原理、分割原理、局部优化原理、非对称性原理、求逆原理与预操作原理等40条创新原理，单独或组合使用该创新原理可为创新解决问题提供理论指导[4-5]。

2.2 基于TRIZ创新理论的教学改革

TRIZ创新理论在教学中的应用核心是通过TRIZ对教学中的问题进行创造性地解决，基于TRIZ创新理论的教学改革路线是将教学中的主要问题转化为TRIZ问题模型，应用TRIZ工具得到创新解答，并将创新解答运用于教学改革，进而得出创新性解决问题的方案。

3 应用TRIZ创新理论解决CAD/CAM/CAE教学中的问题

为提高学生的创新与实践能力，在CAD/CAM/CAE教学中将教、学、用进行紧密结合，基于TRIZ创新理论对CAD/CAM/CAE教学的课程体系、教学组织形式、教学内容、实践环节、教学手段和考核方式等各环节进行创新解决，并提出解决方案，如表1所示。

4 CAD/CAM/CAE课程体系改革

4.1 课程教学内容改革

课程教学内容改革是指通过重新安排专业课程与设计部分教学内容，将专业课程与CAD/CAM/CAE教学进行紧密结合，强化对学生创新、实践与应用能力的培养。课程教学内容改革主要体现在以下几方面：

(1)将3D数字模型引入机械制图类课程中。为提高学生对机械制图课程中相贯线、投影关系等重难点的理解，可在课程中引入3D数字模型，以培养学生的空间想象能力为目的，通过不同视角剖析图形要素，展现3D数字模型内部的结构形状，促进学生掌握机械制图中的知识点，培养学生的读图能力，加深学生对知识难点的理解，提高学习效率。

(2)将CAM教学案例引入数控技术、机械制造技术基础等课程中。通过采取CAM教学案例结合专业课程的方式，学生可自行设计数字模型，在3D打印机、数控机床等方面进行创意制作，提升学生的创新、应用及实践能力。

表1 CAD/CAM/CAE教学问题解决方案(基于TRIZ创新理论)Tab.1 Solution of CAD/CAM/CAE teaching problems (Based on TRIZ innovation theory)

(3)将CAE教学案例引入机械设计、机械原理和力学等课程中。例如，将CAE应用于力学分析中，对复杂结构部件的应力进行求解；将CAD/CAE软件应用于机械设计、机械原理课程中的运动分析，通过运动仿真分析进行求解。在教学中将专业课程与CAD/CAM/CAE教学进行紧密结合，使教学过程更接近现代工程设计，激发学生的学习兴趣与动力。

(4)在课外指导、毕业设计与机械比赛等活动中

培养学生的CAD/CAM/CAE应用与创新能力。在活动期间，鼓励学生应用CAD/CAM/CAE软件进行设计，为学生完成项目提供指导培训，强化学生的CAD/CAM/CAE综合应用能力。

4.2 教学组织形式改革

改革前的CAD/CAM/CAE教学以课题教学为主要教学形式，其他教学形式应用情况不佳。改革后的CAD/CAM/CAE教学仍以课题教学为主，但更注重课外指导与学生自主学习。课外指导主要通过第二课堂与兴趣小组进行教学，以学生的兴趣特点与学习需求为依据，讲解机械专题问题与项目技术，可对学习中的共性问题进行解决。学生自主学习主要通过个人与兴趣小组等形式来进行，以自主的形式对机械类项目与问题进行学习讨论，教师进行旁听与指导，可对学习中的个性问题进行解决。通过改革教学组织形式，可提高学生的机械创新与应用能力和学习兴趣。

5 结语

通过对机械类CAD/CAM/CAE教学中的主要问题进行分析，将TRIZ创新理论应用于教学改革中，对CAD/CAM/CAE教学中的问题进行解决，并在山东华宇工学院机械工程学院中的CAD/CAM/CAE相关课程中实施教学改革。结果表明：在CAD/CAM/CAE教学中应用TRIZ创新理论教学模式可提高学生的专业能力和对CAD/CAM/CAE进行应用与实践的能力，为学生创新能力的培养提供科学的理论指导。在加强学习专业技能与知识的同时，要将TRIZ创新理论贯穿于学生的创新设计、工程应用等各教学阶段与基础训练中。