TRIZ理论在理工科大学生创新训练中的应用

2022-11-29李相晔于海濛

创新创业理论研究与实践 2022年20期

李相晔，于海濛

（山东理工大学，山东淄博 255000）

1 TRIZ理论简介

TRIZ理论意为“发明问题解决理论”，通过寻求每个发明问题解决方案背后的规律，快速地解决在学习、生产及科研中遇到的各种问题。TRIZ理论已被应用于教育、管理等多个领域，在公司、各类院校中得到广泛应用[1-3]。不过，目前TRIZ理论的应用仍主要集中于技术创新领域。如何把TRIZ理论应用到学生培养过程中，将之整合到教学、科研工作中，对于专业性的创新型人才培养、促进高等教育人才培养机制与模式变革有重要意义。

TRIZ理论从1946年产生至今，经过了不同的发展阶段，现已从经典TRIZ理论逐渐发展为现代TRIZ理论，并发展出了许多强大的解析问题的工具，如功能分析、因果分析、剪裁等，基本克服了经典TRIZ理论的缺陷。现代TRIZ理论解决实际问题的典型过程是“问题识别”“问题解决”“概念验证”。在“问题识别”的初级阶段，注重对问题做全面剖析；在“问题解决”阶段，先把上一阶段分析得出的关键问题转换为TRIZ理论中的问题模型，接着利用TRIZ工具寻找解决问题的策略与模型，最后再转化为具体的解决方案；在“概念验证”阶段，主要是对上一阶段得到的具体解决问题的方案做出可行性评价[4]。

2 将TRIZ理论应用于大学生创新训练中的意义

大学生创新训练指的是学生个人或团队在导师的指导下，独立地进行创造性科学研究项目的方案设计、具体执行、科研报告撰写、研究成果分享交流等工作，是高校创新教育的重要组成部分，是锻炼学生综合能力，特别是创新能力的有效载体。在创新训练项目实施过程中融入TRIZ理论，有助于学生提高自主创新意识，主动寻求创新。

创新需要知识，也需要想象力，更需要方法，创新的关键在方法。相对于传统的创新方法，TRIZ理论拥有一个完善的理论体系和解决问题的流程，是高效解决问题的方法论，其规律性很强，易于推广[5,6]。学生系统学习TRIZ理论，并将其应用于创新训练实践中，有助于学生更好地提升创新能力，完成从“要创新”到“会创新”的转变，成长为具有专业知识的创新型人才。

3 TRIZ理论应用于大学生创新训练中的实践案例

本文以一种无机-有机杂化的核壳纳米吸附剂制备方案的改进为例，分析将TRIZ方法应用于大学生创新训练项目的具体途径。本文的研究对象是聚甲基丙烯酸N,N-二甲氨基乙酯（PDMAEMA）和铁改性的介孔硅纳米颗粒（FeOH@MSN-PDMAEMA），其具体的合成步骤如图1所示。首先在模板剂十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）、催化剂氢氧化钠存在的条件下，硅源正硅酸乙酯（TEOS）水解后经洗涤、干燥、煅烧得到介孔硅纳米颗粒（MSNs），然后利用硅烷偶联剂KH570对MSNs表面改性，再在改性后的MSNs表面经自由基聚合后包覆一层PDMAEMA聚合物层，得到核壳纳米颗粒，最后在颗粒内部沉积FeOH而得到最终产物，用于吸附水中阴离子污染物。以此为研究对象，运用TRIZ理论，改进其制备方案，提高吸附剂的吸附速率和饱和吸附率。

首先利用功能分析工具创建功能模型并寻找问题，将问题转化成TRIZ语言，然后分别使用TRIZ工具寻找相应的解决方案。本文主要通过以下三个基本思路进行方案的改进：利用39个参数与40条发明原理、运用物场分析的方法、运用思维方法之一的九屏幕法。

3.1 功能分析

功能分析是剖析问题的一种工具，同时也具备辨别系统和超系统之间组件性能、特点及内在因素的特点。功能分析分为构成要素分析、交互分析和功能模型三部分。构成要素分析是指区分和分类罗列系统与超系统的组成要素；交互分析是识别构成要素之间相互作用，为以后构建功能模型奠定基础；功能模型应识别构成要素之间的具体性能特点，并根据其运行功能的性能进行评价，以形成功能模型图。本案例中将“无机-有机杂化的核壳纳米吸附剂的制备方案改进”定义为一个技术系统，其功能定义为：制备吸附剂。

3.1.1 构成要素分析

构成要素分析又叫组件分析，其中组件是指构成系统或超系统的局部，可以是一种物质也可以是其中的一种结构，在做组件分析时首先要做的事是根据项目的方向和边界选择适当的级别。本案例的研究对象是以介孔硅为代表的无机-有机核壳结构纳米颗粒吸附剂，它的部件层级是模板剂CTAB、硅源TEOS、蒸馏水、氢氧化钠溶液、KH570、PDMAEMA、六水氯化铁等。而超系统组件共有三个，分别是反应器、实验台面、水中阴离子的条件。

3.1.2 交互分析

交互分析结果如表1所示。两两分析组件，彼此触及的用“+”，后面需要进一步分析具体功能是什么；而“-”则表示没有相互接触；“/”表示同一组件之间。

确定了吸附剂各组件之间的关联作用程度之后，对各组件进行功能定义。根据TRIZ理论，选择合适准确的动词来展现功能运转体和作用对象之间的关联，详见表2。

表1 吸附剂系统的相互作用分析

表2 功能组件及其功能

表3 问题转化表

3.1.3 功能模型

对已明确的技术系统中所提供的各部分组件进行功能的归类和剖析，确定该功能是否为主要、次要或附加功能中的一种，随后分析重要部件之间自身的性能对介孔硅的制备以及改性所做出的贡献，并联系系统中存在的有效或无益功能的关系，断定各组件的性能水平。

确定了功能组件及其功能后，用功能模型图来表示上述各组件之间的关系，如图2所示。不同的形状图形代表着不同的组件，而不同的线段箭头表示各组件之间的功能描述以及它起作用的功能等级。模板剂、硅源以及溶剂三者之间通过界面作用，在水解、缩聚的条件下进行自组装进而生成有序的介孔硅。

通过分析本实验室已有的吸附剂制备方法以及对吸附性能的研究，结合上图所建立的功能模型，得出其中存在的主要问题有：

（1）初步合成的MSN的孔径过小，使最后得到的吸附剂负载能力较差，故制备MSN时三种原料之间的反应功能表现为不足。

（2）采用模板法制备MSN，然后通过煅烧除去模板剂。如何在保证MSN孔道结构完整的前提下有效去除模板剂，进而保证吸附剂的吸附性能？

（3）采用KH570对MSN进行改性。是否有其他改性方式？

3.2 利用TRIZ工具得到改进方案

3.2.1 运用39个参数和40条原理

将关键点转化成关键问题，需进一步寻找合理的方案，并找出其中可能存在的矛盾，详见表3。

基于上述的问题与矛盾寻找解决问题的方法，可以看出改善或恶化的参数分别是：10（力）、13（结构的稳定性）、17（温度）、23（物质损失）、26（物质或事物的数量）、36（装置的复杂性）。对应查看矛盾矩阵可以得出的参考发明原理是：3（局部质量的部分改变）、7（嵌套）、10（预先作用）、24（中介物）、39（惰性环境）。

根据上述参数，从40条原理中找到相应的解决措施：

（1）使用3（局部质量的部分改变）：通过改变反应物配比，使制备MSN时物质反应发生改变，最终为大孔径的MSN。

（2）使用7（嵌套）：改性剂KH570，可否用其他物质或基团代替。拟使用嵌套KH550对MSN进行改性，使MSN表面修饰氨基的同时带正电，并增加颗粒分散性。

（3）使用10（预先作用）：在脱出模板剂时可以通过预先作用，首先在低温时进行焙烧增强颗粒骨架强度，然后再高温氧化脱除便能减小一部分对结构之间的破坏。

（4）使用24（中介物）：通过加入其他物种来扩孔，比如加入扩孔剂三甲苯等。

（5）使用39（惰性环境）：在除去模板剂时采用温和条件，减少对颗粒孔道的破坏，例如微波脱除法。

3.2.2 运用物场分析

物场分析同样是TRIZ理论中一个对问题进行描述和分解剖析的工具。功能运转体S1、功能操作体S2和场F是物场模型理论所考虑的、所有技术系统都应具有的三个基本元素。运用物场分析理论同样可以得到一些改变的方法。本案例的功能载体是水中阴离子杂质，功能作用体为介孔硅吸附剂、场是两者之间作用力——静电引力。对于“不充分的完整模型”的解决方法，可以通过引入第二个场增加有用效应、引用第二个场和第三个物质增加有用效应、引入第二个场或第二个场和第三个物质取代原来场或原来场和物来处理。

通过引入第二个场，比如机械场，可以增强振动能力，使得分子与分子之间更加迅速运动，因而提高吸附效率，如图3所示。通过引入第二个物质，比如在介孔硅中接枝上阳离子，可以增强介孔硅与水中阴离子的吸附能力，因而提高吸附量。

TRIZ理论的方法和工具很多，本文所做分析只是其中很小一部分，可以选用不同的角度进行分析，求得多种问题解，进而选出最优解。