TRIZ方法融入物理光学课程教学研究

韩克祯 王本义 秦 华 孙玉萍

（山东理工大学物理与光电工程学院 山东·淄博 255049）

物理光学课程是物理学类、电子信息类、仪器类的一门重要基础课，具有连贯的理论知识体系和广泛的实际应用。课程内容从麦克斯韦电磁理论出发，系统探讨光的基本性质、干涉、衍射、偏振和晶体光学等内容，在专业人才培养过程中具有承前启后的关键作用。通过课程学习，学生能够获得物理光学方面的基本原理和知识，培养分析问题、解决问题的能力，提高现代科学素养，为学习后续专业课程以及从事相关专业工作和科研深造打下坚实基础。

近年来，国家大力提倡全民创新创业，这就要求除了专业知识之外，还需要创新思维的培养和创新能力的锻炼。落实到物理光学课程教学中，就需要教师不能仅仅进行专业知识的讲授，而是要对专业知识和创新教育进行深度融合，提高学生创新能力。

Triz（俄语 Teoriya Resheniyva Izobretatel’skikh Zadatch的首字母）是苏联发明家阿奇舒勒及其团队成员在分析了海量优质发明专利的基础上凝练提取的发明问题解决理论，借助TRIZ理论的帮助，可以将原本需要专业技术人员在多年经验积累基础上才能顿悟得到的创新在较短时间内完成，由于其卓越的有效性，在世界范围内被众多企业广泛应用[1]。后来逐渐引入教育教学领域，尤其是机械[2][3]、车辆[4]等传统工科教学。近年来，物理、数学、经济、外语等课程也加强了与TRIZ的融合。将TRIZ发明原理融入物理光学教学，在实践和理论层面都具有积极意义。在学校支持下，物理光学教学团队进行了TRIZ方法融入课程教学的探索和实践，主要采用案例教学法、启发式教学法和任务驱动教学法展开融合教学。

1 案例教学法+TRIZ发明原理

具体做法是将物理光学核心知识点与40个发明原理进行交叉组合，凝练有价值的教学案例，阐明案例背后的创新思维，形成融合教学内容。经过筛选分析，融合教学案例中主要采用了以下几个创新原理。

1.1 复制原理+物理或化学参数改变原理

该原理主要利用计算机软件编程技术，将抽象复杂的知识点以图片、动画的形式生动形象地展示出来，并可以显示物理参数改变时相应光学现象的对应变化，在教学实践中，本团队积累了大量的演示动画资料，内容包含光矢量的振动与合成、激光谐振腔的驻波、光波的傅里叶分解、光学拍、群速度与相速度、法布里玻罗滤波片、偏振光经波片后偏振态的变换等丰富的教学内容。这种化抽象为形象、化复杂为生动的教学方法，有力地提高了学生对教学内容的理解和把握。

1.2 分割原理

分割原理是指将一个完整系统分割成若干个部分，我们将其推广到物理光学教学中，比如讨论光在介质分界面上的反射和折射时，将入射光波分割为p分量和s分量单独进行分析，有力简化了计算并且得到有意义的结论，也就是菲涅尔公式。在单轴晶体中，入射线偏振光可以分解为o光和e光，单独分析o光和e光的传输特性，最后进行综合，可以得到波片的位相延迟作用。通过阐明知识点背后蕴含的发明原理，学生会获得高于知识层面的创新能力的启迪。

1.3 抽取原理

在经典TRIZ中，抽取原理的本义是识别系统中的有用或有害部分，并将其从系统中分离出来。在与物理光学的融合教学中，体现在从复杂光学现象中抽取主要矛盾，提出理想物理光学模型，如平面简谐波模型、振荡电偶极子模型等。在学习过程中，学生不但了解这些光学模型的知识，还会进一步思考为什么要建立这些模型以及如何建立这些模型。

1.4 非对称原理

该原理是指利用非对称的系统形态来优化系统的性能。一个典型的案例就是光学隔离器，采用磁光效应的方向上的非对称性，制作只允许光单向通过的隔离器。

1.5 同质原理

该原理原本是指不同组件采用同种材质的材料，降低后期维护。推广大物理光学教学中，是指不同的光学系统背后有相同或相似的原理。通过这些光学系统的对比，相互比较印证，有利于学生对原理的把握和不同光学系统的深刻理解。典型的实例是菲涅尔双棱镜、菲涅尔双面镜、洛埃镜、比耶对切透镜等不同双光束干涉实验装置，背后的原理都是双光束干涉，条纹间距的计算公式也相同。

1.6 多维化原理

该原理是指改变系统的维度，从而改善系统性能。将其推广到课程中的一个实例是采用电光效应原理的泡克尔盒，在电光晶体的纵向应用中，单片模式半波电压很高，通过采用多片模式，则有效降低施加在晶体两端的电压。更进一步，通过采用纵向、横向连用的模式，还可以消除电光器件对环境温度的敏感程度。

1.7 中介原理

利用中介物在不相容的功能之间建立有效链接。课程教学中的一个实例是各向异性晶体的示性曲面。通过晶体的折射率椭球、法线面、波矢面和光线面这四个中介物，将抽象的光学概念与实际的光学传输问题形象地联系起来，为后续的各类作图法，如斯涅尔作图法、惠更斯作图法做好了准备。

2 启发式教学+技术进化法则

在物理光学教学实践中，我们将启发式教学与TRIZ理论的技术进化法则相结合，在核心知识点学习的基础上，启发学生分析知识点背后的技术进化脉络，使学生获得更高层次的思维启发。比如，在学习分光器件时，启发学生思考棱镜为什么被光栅取代；深入研究朗齐光栅→闪耀光栅→阶梯光栅背后的技术进化法则。通过层层递进的分析研究，学生从掌握知识点→能够应用→能够评价光学器件性能、预测光学器件的未来发展，这符合布鲁姆的分层次认知理论，同时也有助于实现国家金课建设高阶性要求的达成。

3 任务驱动教学法+矛盾分析解决

针对物理光学课程和实际教学条件，我们布置一些适当的设计任务。比如，要设计一个望远镜，为了提高分辨率，口径需要大一些；为了降低制造难度，口径又需要小一些；学生为了解决这种物理矛盾，就会思考解决物理矛盾的方式，比如矛盾分离法，通过化整为零，利用拼接技术，将多块小镜片拼接为大口径望远镜。更进一步，如何检测拼接质量呢？学生最终想到光学干涉测量技术。在调研过程中，学生会发现若干国家重大光学工程的辉煌成果，不知不觉中，实现了课程思政自然而然的融入。这样，在一次教学过程中，同时实现了创新方法和课程思政的完美融合。

4 评价体系改革

TRIZ方法融入物理光学课程教学改革之前，物理光学采取“总评成绩=平时的过程性成绩×40%+期末的终结性成绩×60%”的考核形式。考核没有考虑与TRIZ相关的学习活动和考试题目。

改革过程中，我们在平时作业和期末考试适当加入TRIZ创新方法解决物理光学问题的研题目，考查学生对创新原理的理解和掌握，激发学生的积极主动性。

5 实施效果

为了获得学生对TRIZ融入物理光学课程教学的反馈，我们利用网络课程教学平台对学生发起调查。反馈表明，超过90%的学生认为TRIZ方法灵活生动，非常有启发价值，对学生以后分析问题的思维方法产生积极的正面作用。

6 结语

为助力大众创新、万众创业，提高学生创新思维能力，我们将TRIZ创新理论引入物理光学课程教学，主要展开了发明原理、技术进化法则、技术矛盾和物理矛盾三方面的融入式教学。教学结果反馈表明，教学改革在启发学生创新思维、提高学生创新能力、提高物理光学教学效果方面取得了较好的效果。在以后的教学过程中，我们会进一步进行深化挖掘，优化教学方案，实现更好的教改效果。