基于TRIZ创新原理解析“政产学研用”人才培养体系与实践——以兰州理工大学水利水电工程专业为例

龚成勇，何香如，韩伟，冯辉霞，樊新建

（1.兰州理工大学能源与动力工程学院，甘肃兰州 730050；2.兰州现代职业学院财经商贸学院，甘肃兰州 730300； 3.兰州理工大学石油化工学院，甘肃兰州 730050）

1 培养体系现状与研究理论

1.1 培养体系现状

兰州理工大学水利水电工程专业是甘肃省第一个水利类本科专业，于2018年通过工程教育认证，为甘肃省一流专业，兰州理工大学红柳建设专业，依托甘肃省重点学科水利工程学科。2021年版培养体系按照工程教育认证所倡导的基于学习产出的教育模式（Outcomes-based Education，缩写为OBE）理念制定。培养的学生能在水利水电工程及相关领域从事规划、设计、施工、管理和科学研究等方面工作，是具有社会责任感、创新精神和国际视野的高级专门人才。由通识与公共基础课、学科基础课、专业课、创新与创业教育4类课程构成培养体系，按照授课形式划分为理论课程、课程设计、课程实验、专题实验、生产实习、毕业实习、毕业设计等类别的课程。工程教育认证后近三年的建设，尤其在教学方法、实验室建设、校企合作、师资引进、课程建设等各个方面取得优异成绩。2021年版培养方案设置160学分，其中数学与自然科学类课程学分至少占总学分的15%，工程基础类课程、专业基础类课程与专业类课程学分至少占30%，工程实践与毕业设计（论文）学分至少占20%。随着新工科建设和一流专业建设推进，尤其是行业与社会需求的不断变化，对本专业人才的需求发生变化，按照工程教育认证持续改进的要求，对本专业的培养体系进行探索和实践，以使人才培养质量适应行业领域的需求。

1.2 课程体系建设理论

“产学研用”人才培养模式是一种集生产研发、教学科研、学用结合、校企合作的系统合作教学模式[1]。符瑛等在文献[2]中指出“产学研用”人才培养模式在现代高校教育建设中的重要意义和作用。“政产学研用”是“产学研用”的升级版，政府对人才培养主要发挥引导和支持作用，通过制定法规及制度来保护学校、企业和科研机构的主体利益，并依托学校、企业和科研院所创立类似“众创空间”等人才培养机构，在其职能机构主导下设立人才培养平台，政府对人才培养的作用愈来愈凸现，与产业及企业、学校、科研机构和用户，形成新时代创新人才培养的基本模式，称为“政产学研用”协同创新融合机制[3]。

我校水利水电工程专业不断探索“政产学研用”机制。在政策方面，利用甘肃省政策主持将水利工程（一级学科）建成省级重点学科，借助国家“双万计划”将本专业建成甘肃省一流专业，为服务甘肃省发展规划，人才培养面向省十大生态支柱产业，为推动黄河高质量发展，成立黄河流域水生态与水工程研究院；在产业及企业方面，专业借助行业发展需求，与中国长江三峡集团、甘肃省景泰川电力提灌水资源利用中心、甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司和大禹节水集团股份有限公司等42家水利行业的企业建立合作关系，引入行业需求，推动人才培养；在学校扶持方面，加快构建水利工程特色学科和方向，并利用学校学科优势，与学校其他学科及专业交叉融合，将水利工程（一级学科）列为红柳重点扶持学科，将水利水电工程专业列为红柳建设点；在科研机构合作方面，专业与中国科学院西北生态环境资源研究院、甘肃省水利科学研究院、甘肃省农业科学院、甘肃省治沙研究所和甘肃省地质环境监测院等15家研究机构建立科研与人才培养合作，打通了科研机构与人才培养的关键节点；在用户方面，动态调整人才培养目标，符合行业及企业用人需求。我校水利水电工程专业初步建立了“政产学研用”协同创新融合机制。

进一步分析“政产学研用”协同创新融合机制构成，政府营造创新人才培养环境，产业与企业向创新人才培养提出需求，学校是创新人才培养与输出的主要基地，科研机构向创新人才培养提供实践基地，用户对创新成果进行检验。该创新机制还存在资源利用低效、人才培养目标与产业需求的契合度较低、创新师资匮乏、制度保障不足和协同能力不够等问题，其主要原因是五个要素对创新人才培养的作用为宏观作用，具有间接性，而直接影响人才培养的微观作用主要来源于教学实施过程。若要达到该创新机制效果，不仅需要进一步建立深度合作机制，还需要对人才培养过程及教学环节进行剖析研究，将间接性的五个要素转换为教学实施环节的教学要素。我校水利水电工程专业建立“政产学研用”协同创新融合机制，还需要进行教学要素层面的分析和研究，以使教学要素直接作用于人才培养体系。课程思政是当前人才培养的主要特征，对教学要素的影响和关系还需要进行更深入的研究。

课程思政要求挖掘各类专业课程蕴含的思政元素，实现价值引领与知识传授深度融合，将思政教育贯穿于人才教育和培养全过程，解决大学生专业课与思政理论课脱节的问题[4]。构建新时代全员育人、全过程育人和全方位育人人才培养体系迫在眉睫，其要求教育不仅要从技术层面、理论层面和制度层面进行探索研究与实践，也需要寻求满足高度、深度和广度的多维度教育措施、基本载体和育人路径，以立德树人为基本任务，逐步实现技能培养与德育素质教育目标，最终达到教育赋能。专业课程与思想政治理论课的同向同行，实现协同育人，是新时代教育体系的显著特征。构建本专业2021年版教学培养体系，需要将课程思政作为体系建设和教学实施的主要内容。专业课程是专业技能人才培养的重要组成部分，其形式多样、内容丰富、逻辑清晰、受众广泛、操作性强、潜在影响大，是课程思政建设的理想载体[5]，而偏重专业技能教育容易忽视课程思政在高质量发展中的地位和作用[6]。因此，2021年版人才培养体系既要坚持专业知识体系完整，又要强化思政元素的渗透[7]。

新时代水利专业人才培养，需要以高水平人才培养体系作为保障。而建设高水平人才培养体系，必须将思想政治工作贯通其中，抓好课程思政建设，解决好专业教育和思政教育“两张皮”的问题[9]。强根荣等[10]提出，课程思政的基本特征是以教师队伍为“主力军”、课程建设为“主战场”、课堂教学为“主渠道”，将思政教育有机融入专业课程，提升教师德育意识和育德能力。为了形成教学吸引力，应重构教材内容、提高教师素养、改进教学方法及营造外部环境[11]，构造教学评价方法，形成涵盖内容、质量、形式、外部环境多个维度的培养体系。显然现代教学生态本身属于多维的泛生态学问题，植入课程思政要素，符合“政产学研用”“五位一体”协同创新模式[8]的发展需要。在培养体系中植入课程思政，依托的主体是授课教师，主要载体为专业课程，主要特征为专业课程与思想政治理论课同向同行，需要配置优质育人环境，优化教学方法，所有教学要素发生改变，教学评价随之调整，构建课程思政人才培养体系，具有重要的应用价值和现实意义。而构建涵盖思政元素的培养体系的难度随教学生态维度的增加而增加，需要从不同的角度进行广泛研究，其中建立对应的关系模型，借鉴课程思政的教学生态模型P-MULIPLY[12]研究成果，并以此构建本专业培养体系具有重要价值。

研究方法是研究的关键。由于教育教学的复杂度较高，可将其看作多学科的融合系统，引入解决发明问题的理论——TRIZ（theory of inventive problem solving），对其进行探索研究。该方法发源地为苏联[13]。TRIZ的理论基础为技术系统的演化规律，是由苏联发明家Altshuller及其领导的研究员通过分析大量专利和创新案例形成的解决问题的创新性理论[14]，主要包括具体分析工具、具体应用工具、分析和解题思想及流程算法。现在已经成为十分有效的创新理论和方法体系，其基本思想为，解决矛盾是创新发明的核心。各个领域科学研究与工程实践不断创新，创新方法不断被采用，基于TRIZ理论的创新系统方法不断被推广[15]，笔者利用TRIZ理论和思想，以我校水利水电工程专业为例，结合教育认证的理念和新时代人才培养需求，构建“政产学研用”人才培养体系，探索构建教育教学问题的技术系统问题，将其定义为类TRIZ技术系统，其基本假定为：

（1）TRIZ研究系统称为技术系统，而教育本身属于多维多态的复杂体系，涵盖教育科学、人类认知行为科学、脑科学与思维方法、管理科学、信息与计算机网络技术及其教育应用和行业领域专业知识体系化等内容。为了提高分析和解题的效率和可操作性，假定研究问题之外的技术系统是正常发挥其功能的。

（2）TRIZ对技术系统中功能的定义是较为严格的，而教育实施过程的动作行为对其他组件之间的功能不能苛刻要求，例如学生学习教学内容，若将其定义为技术系统的作用对象，收集、接收、理解、处理吸收、掌握最终转换成大脑刺激与认知，教学内容在整个过程没有发生属性特征改变，仅仅发生传递，作为技术系统组件的学生并没有改变教学内容属性，不能满足经典TRIZ对功能的严格定义F=V+O，即不可能从物理学的角度改变其物理变量或状态。需要假定在教学中，绝大多数学生大脑结构对信息处理的能力和效率等效，学习效果仅仅受到培养体系的影响，作为类TRIZ技术系统，该培养体系忽略了学生学习能力的差异性，忽略学生在学习过程中大脑的信息处理细节。因此，类TRIZ教学技术系统的功能定义存在不足，严谨性不够，技术系统的工作原理也忽略了学生大脑认知的差异。

（3）影响教与学效果的因素很多，甚至在相同的教学环境下，教学效果因评价视角及要求不同而存在差异，各教学要素相互影响，且彼此间的关系不是线性的，教学效果是多因素共同作用的结果，各教学要素对教学效果的影响是无法完全分离的，因此在利用TRIZ进行分析和解题的过程中，不考虑技术系统组件方案和解的唯一性的问题。

2 建立教与学概念模型

2.1 TRIZ功能分析模型

基于上述假定，将人才培养体系定义为类TRIZ的技术系统，称其为教与学技术系统，为了将教与学技术系统进行普适化，将人才培养和培训实施环节的教师及培训师、学生及受培训人员、教学方法、教学内容、培养体系与课程体系、教学环境媒介及平台、教学管理及评价定义为技术系统的组件，将高等学校、政府机构和生产企业定义为超系统组件，其中将教学内容定义为作用对象，建立其系统功能分析模型，如图1所示。

图1 教与学技术系统功能分析模型

2.2 基础研究探索

为了获得有效的解决方案，主要开展如下7项工作：（1）通过问卷调查和文献分析的方法，并引入TRIZ原因分析工具，分析系统中组件功能发挥不足的原因；（2）人才培养效果是受多要素影响的，以组件功能发挥不足的原因分析成果为基础，将影响教学效果的原因分级和排序，分析主要原因与组件的关系，构建矛盾模型，尝试利用TRIZ发明原理，以及TRIZ分离和组合的原理，提出解题方案，聚焦组件对教学效果的贡献，引入多元量化的考核评价方法，分析本专业人才培养中的基础数据，揭示教学要素对教学效果影响的基本特征和规律。在构建培养体系过程中，采用分离和组合原理，对标毕业要求，先分别对培养目标、课程体系、师资与学生、教学设施、教学方法、管理与评价措施等进行专项研究，然后从培养体系的系统角度进行融合处理。（3）引入TRIZ资源分析方法，分析影响人才培养体系的超系统组件，主要由政府机构、高等学校和生产企业三种类型组成，因对人才培养的作用和贡献不同，主要从资源分析的角度进行研究，获得人才能力评价与人才需求，最终获得其超系统对人才培养的支撑关系和规律。（4）分析本专业人才培养环节，分析教师、学生、教学内容、教学方法、教学环境和教学评价等教学要素之间功能发生的方式与路径，选择TRIZ所产生的方案，并对照资源分析的成果，结合超系统对培养环节的作用贡献，进一步揭示组件功能发挥不足的原因，提出整体优化的方案，方案突出该六个要素对人才培养的共同作用，进而实现人才培养环节中针对不同教学要素的量化设计，达到可操作、易调节和好控制效果。（5）由于人才培养的复杂度原因，还需要对量化设计的教学要素进行二次构造，主要研究六个要素对人才培养的功能贡献的嵌套特征，以克服在培养体系构建过程中将各要素进行分离处理的局限性。（6）结合教与学基本规律和本专业学生达成的能力指标，将能力进行分级处理，称其为基本能力，主要包含观察力、判断力、想象力、创造力、控制力、执行力和表达力7项，并将相应的基本能力与课程建立对应关系；通过课时与学生成绩两个主要指标，分析人才培养体系教学要素的量化特征，初步形成基本能力培养的对应关系，获得各个课程培养目标。（7）利用TRIZ进化法则，分析本专业教育发展规律和趋势，获得7项基本能力构成的综合能力的过程和变化规律，列出本专业人才培养发展核心特征，结合课程目标的量化研究成果，最终形成毕业要求中综合能力的表达。

2.3 构建教学过程与能力培养模型

在上述初步结论的基础上，建立教与学技术系统人才能力培养的演变规律模型，如图2所示。

（1）第一维度为人才培养历史背景，用一个正六边形来表示，将政府机构、高等学校和生产企业三个超系统组件间隔放置于正六边形三边中点位置，分别通过没有放置超系统组件边的中点与正六边形形心连直线，形成三个中心角为120°的等面积区域。三个超系统组件的影响范围相等，表示初始条件下超系统组件对人才培养的贡献，尤其是对各要素的功能完全发挥，因此人才培养背景被其平均分三个区域，分别以三个超系统组件的名称来定义，得到三个模块。将每个模块对应六个属性或特征放置在对应超系统组件的两侧，每侧三项，顺时针按照等间距放置。每个属性或特征用细实线圆形框框起来，属性或特征主要是超系统组件对人才培养的要求或对教学要素功能作用发挥的贡献。

（2）第二维度为人才教育及培养实施环节六个教学要素的功能关系。在第一维度正六边形内部构造方位相同的虚线正六边形，以实线圆形框框定各教学要素。依次放置实线圆框于虚线正六边形内部，并使其与虚线正六边形边相切于边的中点。由于六个教学要素对人才培养的贡献具有多重的嵌套特征，其要素组件之间的功能数量和类别不唯一。因此，放置六个要素不进行顺序的限制。六个要素构成的正六边形的面积表示教学要素完全达到设计状态下的功能时，教学效果的理论数值，称为教学要素综合影响范围，是教学要素设计的纵深和广度。一定程度上，各要素的功能发挥受到各种限制条件的影响，教学要素综合影响范围的面积小于第一维度正六边形的面积，同时教学要素来源于第一维度的培养背景的超系统组件，形成教学要素的过程是物质、信息、能量、空间和功能等资源被处理的过程，主要经过收集、加工、整合、优化等环节，处理的环节都有可能产生损耗。

（3）第三维度为教育与培训效果，教学要素在人才培养过程中会对受教育对象的听觉、视觉、嗅觉、味觉、触觉和其他感觉器官产生刺激效果。根据前文提出的类TRIZ技术系统基本假定，教学要素从不同的角度对师生产生刺激，形成大脑认知行为，而不受大脑功能限制，其直接效果主要依赖于组件功能发挥后产生的刺激贡献。而由于类TRIZ技术系统的不足或组件之间的不足可能造成各类刺激贡献折减，具体表现为物质、信息、能量、空间和功能等资源被处理的过程损耗，其损耗降低了教学过程中师生的刺激听觉、刺激视觉、刺激嗅觉、刺激味觉、刺激触觉和刺激其他感觉对基本信息的传输、获取、接收和初步处理的成效。构造出一个实线正六边形，形心和方位与第二维度的正六边形相同，其面积小于第二维度的正六边形，将产生的刺激效果用细实线圆形框定，放置于其顶点。

（4）第四维度为学生基本能力形成过程，采用正七边形位于第三维度正六边形中心，各个顶点分别放置学生需要形成的观察力、判断力、想象力、创造力、控制力、执行力和表达力七种能力。

（5）第五维度为七种基本能力形成综合能力的过程，用一个圆形置于第三维度正七边形的中心。

（6）构建完成五个维度后，依次建立相邻维度之间的关系。第一个维度与第二个维度的关系是教学要素来源于人才培养背景中的三个超系统组件，用直线段连接第一维度和第二维度中的圆形框，连接遵循的原则是顺时针方向和相同方位的要素相连。根据分析可知，从第二维度向第三维度，描述教学要素之间功能的效应过程，其表现为师生在教学环节中的器官刺激作用，以及器官之间相互作用与支撑，用直线连接两个维度上放置在同一方位的要素。第三维度与第四维度之间，是描述参与教学的师生器官在受到教学要素刺激后，并将其转化为基本能力的过程，其过程是大脑形成认知能力的基础，每一项能力的获得需要多个器官刺激后认知共同作用，其本质是器官刺激转化成能力，是教学组件多重作用的结果，用直线段连接器官刺激作用与基本能力。第四维度与第五维度是描述基本能力形成综合能力的过程，该过程发生的前提条件是器官刺激作用，该过程较为复杂，具有多重性，采取依次连接汇聚的连接方式。立体空间模型如图2所示，平面模型如图3所示。

图2 人才能力培养的演变规律模型

图3 人才能力培养的演变规律关系模型

3 基于模型构建“政产学研用”人才培养体系

在工程教育认证之前，人才培养体系还存在强调传统课程教学内容、以课堂讲授式教学为主、担心学生能力不足以参与科研项目、学科竞赛主要是少数学习时间充足的学生参加、教学改革和课程建设将花费大量时间且与科研生产任务冲突较大等一系列问题。根据TRIZ分析及其所建立的人才培养能力模型可知，教育的中心任务是人才培养，教学组件要素要服务中心任务。现代教育体系属于开放的动态化系统，需要遵循的基本原则是因材施教、因地制宜。利用类TRIZ技术系统及其能力模型，我校水利水电工程专业2021年版培养体系完成下列7项具体工作：

（1）汇总社会和行业对本专业人才能力的要求。修订其毕业要求、课程体系、培养方案和课程大纲，修订过程中所参考的数据来源于相关企业、高校、学会、用人单位、相关院所等机构，获得数据的方式主要包括现场调查、座谈会和调查问卷等，并分析行业发展特征和人才需求趋势。

（2）加强课程建设。对课程进行重构建设，课程重构的内容主要包括教学大纲修订、教学内容优化（尤其注重典型工程素材加工，增加新技术、新材料、新方法等素材）、教学方法改进升级、采用多种教学形式、引入多元的评价体系等；骨干课程全部实现了课程重构建设，水利工程地质完成示范性混合式教学建设、水力学完成双语教学建设、水工建筑物学完成示范性项目式教学建设、水利工程施工技术与管理完成课程思政建设、水利工程制图及CAD和水电站两门课程均经过混合式教学和项目式教学建设，建设后水电站课程开展“专创融合”课程开发建设；同时近三年建设了结构节能设计与BIM建模基础等4门创新课程和3门创新实验，新开设水工结构有限元和水利大数据与水生态安全、水生态会环境修复等多门课程。同时开展包括教育部产学研协同育人项目、教育部创新方法教学指导分委会学科项目、学校教研教改及校企合作项目10余项，初步完成各类课程教学基本规律研究，具备“政产学研用”建设基本条件。

（3）加强师资队伍建设。引进优质师资的同时，注重任课教师创新能力的培养，逐步形成骨干课程由主讲教师组共同负责制、其他教师参与教学实践环节、教师横向相互支撑的教学师资课程群，近三年引进5名博士师资，补充教师团队；组织教师参加教学创新培训和创新方法认证培训。

（4）加强学科垂直建设。形成博士-硕士-本科完整的培养体系，以学科引领专业发展、以专业支撑学科发展。结合人才培养层次需求，开展课程、实验室及教学平台等教学保障性建设，致力于拓展、延伸、挖掘和整合，保证教学质量。

（5）以科学研究和各类横向生产项目为依托。在课程教学，尤其是实验、实践、课程设计和拓展训练等实践类课程教学中，以实际工程资料为素材，对照行业规范及要求，聚焦课程目标，达到“真题真做”，培养学生解决实际问题的能力。同时与相关企业签订人才培养合作协议，优选企业技术骨干担任企业导师，形成科研助力和提升人才培养质量，人才培养反哺科学研究，人才培养与科研共同进步。在完成实际生产项目的同时，将科研成果和资料进行加工处理，获得教学案例，达到教研相长的效果。

（6）加强学生实践教学环节。全面培养学生的实践能力，主要包括一年制毕业设计、工程设计类课程采用项目式教学、理论教学与课程设计贯穿设计与实施、增设课内实验及实习、开发建设虚拟仿真实验项目及平台等手段和措施。

（7）加强学生管理，增强学生的自主学习能力。配备科研能力强、工作认真负责且擅长学生管理和组织的专业教师担任本科生班主任；通过本科生导师制，专业教师全员上阵，引导学生规划学业。

（8）加强学科竞赛引导、指导、辅导。通过各类学科竞赛为学生增加校内外学习交流机会，打破地域、专业设置约束和限制，培养并提高学生科技探索与实践能力。形成了从大学一年级考试培训，二年级全员参加水利创新竞赛，三年级参加省级及国家级竞赛的培

育体系。在我校实现创新学分认证以来，本专业前三年学生创新学分的平均值达到4.9分，反映学生知识应用能力得到一定程度的提高。培养体系教学要素对应关系模型如图4所示。

图4 水利水电工程专业“政产学研用”人才培养体系教学要素对应关系模型

4 结论与讨论

本文以兰州理工大学水利水电工程专业为例，尝试使用TRIZ理论建立教与学技术系统功能分析概念模型，以该模型为引导，开展多项基础性研究，并以其构造培养能力模型，分析其层级和维度，构造本专业的“政产学研用”人才培养体系，从培养目标、毕业要求、课程建设、师资队伍、实验室及平台和管理等内容进行改革和研究，形成与类TRIZ技术系统中主要技术系统组件的对应关系，依据能力模型启示，构建本专业培养体系，并结合能力指标对教学要素进行研究、建设、改善和实践。本文虽然未列出TRIZ解题方案，也未对方案进行详细说明，但将其作为分析工具和解题工具，尝试解决教育教学及人才培养的实际问题，并取得了良好的效果，可以作为相关领域研究和应用实践的参考和借鉴。