运用TRIZ理论探索并解决化工原理实验教学中存在的若干问题

2022-07-05左士祥孙雪妮韶晖

教育现代化 2022年20期

左士祥，孙雪妮，韶晖

（常州大学石油化工学院，江苏常州）

化工原理课程体系由化工原理、化工原理课程设计、化工原理实验三个教学环节组成。化工原理课程是高校大化类专业的核心专业基础课，是连接基础知识与工程应用的纽带[1-2]。化工原理实验教学则是必修基础技术课，是整个体系中十分重要的实践环节。化工原理实验不仅是对理论教学内容的验证，还可以帮助学生树立正确的工程观念、培养学生分析和解决实际问题的能力、加强学生的实践能力[3]。

2017年2月，教育部开始积极推进新工科建设，以形成领跑全球工程教育的中国模式[4]。在“新工科”的建设背景下，各大高校开始积极开展化工原理课程体系教学改革的探索，以满足我国对工程人才的需求。现阶段，在实验教学改革方面，大部分教师还是依赖自身教学经验去发现问题、解决问题。虽然这些探索对化工原理实验教学改革有一定的促进作用，但也存在一些明显的弊端。例如：我们只能依靠教师每次发现了问题之后再去逐一解决，而不能科学、系统地去分析问题，防患于未然；若发现的问题过于零散，教师可能需要数次尝试才能找到解决问题的有效方法，等等。

TRIZ是俄文Teoriya Resheniyva Izobretatel’skikh Zadatch的缩写，意思是发明问题解决理论，由阿奇舒勒于1956年创立[5]。TRIZ理论源于工程技术领域，从发展至今已经成为一套有效的科学理论，让人们不用再盲目地去寻找方法，让解决问题变得有规律可循。本研究首先借鉴了TRIZ理论中的分析方法，采用功能分析对自定义的化工原理实验教学体系进行问题识别。之后采用因果链工具筛选提炼出一些关键性问题，最后针对这些关键问题，采用物—场模型，从TRIZ的标准解系统中有针对性地去寻找解决方案。本文科学分析、识别了化工原理实验教学中所存在的问题，针对一些关键问题给出较合理的解决方法，对“新工科”背景下教育教学改革进行了一次有效的探索，也为工程学科的教学改革提供一个科学的分析方法。

一深入分析化工原理实验教学存在的问题

TRIZ理论解决问题的经典过程可分为三个步骤，分别是：问题识别、问题解决和概念验证[6]，如图1所示。问题识别阶段，将针对一个工程系统展开较全面的分析，从而得出一系列关键问题；在分析出关键问题之后，就进入问题解决的环节。在此阶段将关键问题转化为一些问题模型，然后产生解决方案；最后，在概念论证环节，针对上一阶段得出的解决方案进行可行性评估，最终筛选出最佳解决方案。TRIZ理论为每一个阶段都提供了一系列的工具作为支撑，可根据具体问题来选择所需要的TRIZ工具[7]。在问题识别阶段，主要有功能分析、流分析、因果链分析、进化趋势分析等多个工具。其中，功能分析工具是一个经典的问题分析工具，也是后续许多TRIZ工具的基础。功能分析又可分为三部分，即组件分析、相互作用分析和功能模型。运用功能分析工具可以识别出各种系统中的组件，分析组件的特点及组件之间的相互作用，并建立模型评估每一个组件的性能，最后根据评估结果确定有性能问题的组件。

图1 TRIZ理论解决问题的一般步骤

（一）组件分析

第一步，我们先借鉴TRIZ的概念来自定义一个符合化工原理实验教学的体系。整个教学体系被称为一个超系统，里面包含了一个工程系统和若干个超系统组件。其中，工程系统是我们的研究对象合集，而超系统组件则是被研究对象之外的组件。在化工原理实验课程中，教师和学生是实验教学改革的主体，也是教改的主要研究对象，即工程系统中的组件。而实验原理、实验操作、实验结果及实验问题，虽然不是我们教学研究的主体，但他们都与研究对象及教学成果有着相互影响，因此它们就被定义为超系统组件。至此，我们就完成了对化工原理实验教学体系的组件分析。

（二）相互作用分析

第二步，在组件分析后，我们便可以进行相互作用分析，识别出各组件之间的相互影响。我们针对前面所定义的化工原理实验体系中的各组件进行分析，得到一个相互作用矩阵，如表1所示。在这个矩阵中将各组件列出，之后两两分析看二者有无相互作用，如果两者有相互作用，则以“+”来标记，否则以“-”来标记。需要注意的是，这里的相互作用并不是单纯地只有实体接触，若存在场作用也被认为是有相互作用的。例如：教师和实验原理之间，虽然没有实质性接触，但是教师需要通过描述或画图举例对实验原理进行讲解，这其中就有声音、视觉等“场”的作用，那么我们就认为教师和实验原理之间是存在相互作用的。在得到相互作用分析矩阵后，表格中有“+”标记的意味着可能存在功能。

（三）功能模型建立

第三步，我们针对表1中每一个标注有“+”的单元分析具体功能，并给这些功能进行分类。依照TRIZ理论功能分类标准，根据功能的不同作用对象，我们给出化工原理实验教学体系中的相互作用的功能及功能的性能水平，如表2所示。将表2进行图形化后就得到功能模型图（图2），从图中我们就可以一目了然地对实验教学体系有一个整体的了解，也可以马上发现体系中存在的问题。通过功能分析，我们发现化工原理实验课程系统中存在较多的不足功能，包括：教师在原理方面的讲解不够深入、学生对实验操作的完成度偏低、学生分析实验结果和问题讨论的能力不足等。而有害的功能则有：学生对教师的过分依赖以及学生错误实验操作导致的实验问题。

图2 化工原理实验系统功能性能表

表1 化工原理实验系统相互作用分析表

表2 化工原理实验系统功能性能表

（四）分析挖掘教学关键问题

通过功能分析能找到性能不足或者有害的组件，接下来，我们将采用因果链工具进行深层分析，形成如图3的链式分析图并挖掘出潜在的关键问题。根据之前的分析，化工原理实验现阶段存在的表面问题（或初始缺点）是实验教学效果差，导致这一初始缺点的直接原因有两个，一方面是实验课上学生对实验操作的完成度较低，另一方面则是实验完成后同学们缺乏对问题的分析和解决能力。这两个问题就是处于第二层的缺点。之后针对这两个问题，继续挖掘下一层直接原因。例如：为什么同学们对于问题的分析和解决能力存在不足？引起这一问题的原因可能是理论基础薄弱，也可能是理论应用能力欠缺，也可能是缺乏工程观念等等。我们重复上述步骤，一层层向下挖掘更深层的问题，并结合具体项目找出末端缺点。

从分析结果看出，引起实验教学效果不足的原因很多，有些是学生本身的原因，有些是教师引起的，还有一些是客观因素。我们通过筛选列出几个关键性的问题：①学生对于化工原理实验的重视性不足，从而造成同学积极性不高，对实验操作及后续的结果分析讨论敷衍了事；②教师在实验过程中过度指导，导致同学过分依赖老师，而缺少了自己动手探索的过程；③客观因素，比如实验课课时较少，时间不够，装置不能与时俱进。

二解决化工原理实验教学的关键性问题

分析完体系中存在的问题后，我们开始着手寻找有效的解决方案。在此，我们选择的是借鉴TRIZ理论中的物—场模型。基于物—场模型，一个完整的体系至少应该由三个基本元素构成，包括两个物质（substance）和一个场（field）。其中，S1为被生产、被控制、被测量的物质；S2为进行生产、控制、测量的物质；F为这两种物质之间的作用。

图3化工原理实验教学问题的因果链分析物一场模型共有四大分类：①有效完整模型；②不完整模型；③非有效完整模型；④有害效应的完整模型[8]。TRIZ对于后面三种模型，给出了一系列标准解法。在化工原理实验教学体系中：S1为学生，S2为教师，F为教学场。显然，教学过程中存在着有害的效应，即功能的3个元素齐全，但产生了与设计者所追求的效应相左的、有害的效应。教师的过度指导造成了学生的依赖性，降低了学生的工程实践能力。对于这一有害效应，我们尝试应用TRIZ理论中的标准解12对此体系进行改进[9]。基于标准解12的提示，我们可以搭建化工原理实验网络课程平台，同学们通过观看微课视频来了解实验的原理、设备、工程原型等等。此外，以我校的化工国家级虚拟仿真实验教学中心为依托，还可以尝试采用虚拟现实技术VR让同学们实景沉浸体验虚拟实验操作。这不但能降低学生对于教师的依赖性，还能调动学生的积极性和主动性。

图3 化工原理实验教学问题的因果链分析物

此外，学生分析、解决问题的能力偏弱也是造成实验教学效果不好的一个重要因素。此时，学生与实验问题形成的是一个非有效完整模型。在此，我们尝试应用标准解14来对教学系统进行改性，即将单一的物—场模型转化为链式物—场模型。基于标准解14的提示，化工原理教学体系应该是一种链式物—场系统，即由理论教学、实验验证和实践环节共同组成，且层层递进，形成一个完整的教学链。所以在前期化工原理课程的教学中，授课教师需要注重在理论教学中多结合实际工程案例，以进一步加强学生的工程观念。