基于TRIZ 理论的工业设计工程基础课程改革与实践

张伟杰，付晓莉，车江宁

（中原工学院 机电学院，河南郑州 450007）

工业设计专业是技术与艺术、科技和人文等多学科相互融合，与企业的产品开发、生产制造紧密联系的交叉学科。2022 年5 月，河南省教育厅《关于加强普通高等学校设计类人才培养的指导意见》指出：“加强普通高等学校设计类人才培养是全面落实创新驱动、科教兴省、人才强省战略的必然要求，是建设‘设计河南’、融入新发展格局、推动我省更多产品产业成为国内大循环和国内国际双循环关键环节中高端的迫切需要。”[1]高校作为人才培养的基地，理应为区域经济发展培养高素质人才。中原工学院是省属普通高等工科院校，工业设计专业为省级一流本科专业和国家一流本科专业建设点，近年来，围绕区域经济发展对具备创新能力的设计人才的迫切需求，工业设计专业教师积极进行课程改革，使培养的人才更贴近社会需求。

在创新人才培养方面：梁雪梅等提出基于TRIZ的工业设计人员创新力培养体系，包括创新力培养目标、培养课程和创新教学模式等核心板块[2]；刘力萌、曾曦、杨勤等基于TRIZ 理论进行产品概念设计、老年轮椅设计和行李箱的设计研究[3-5]。由此可见：TRIZ在创新人才培养方面有重要作用。

TRIZ 理论（发明问题解决理论）是由苏联科学家、发明家根里奇·阿奇舒勒及其团队在分析世界范围内250 多万件高水平发明专利的基础上总结提炼出来的，经过后期持续发展和完善，TRIZ 理论已经发展成为一套服务技术创新的成熟理论和方法体系，在产品的创新设计中应用广泛[6]。

本文针对中原工学院工业设计专业学生工科背景的特点，对工业设计工程基础课程进行教学改革，建立TRIZ 创新理论和工业设计工程基础课程耦合的关系，把TRIZ 导入理论教学内容、实验项目和综合设计项目等教学环节，培养学生的创新意识，锻炼学生的工程实践能力，解决设计人才创新能力不足的问题。

1 课程现状

中原工学院工业设计专业的专业基础课程包括机械制图、材料成型工艺基础、工业设计基础等工程类课程，能够满足学生工程基础知识学习的需求。工业设计工程基础是工业设计专业的一门基础必修课程，课程内容以实践应用为主。工业设计工程基础课程教学内容分为两部分，并分两个学期进行授课，第一部分讲授工程力学、机械设计基础等内容，第二部分讲授单片机基础及应用。第二部分讲授内容区别于机械电子工程等专业的单片机相关课程内容，学生前期没有修过大学物理、电工电子技术、C 语言编程基础等相近课程，因此，对学生理论知识的要求相对不高，更注重学生实践应用能力的培养。

工业设计工程基础课程第二部分内容共计30 个学时。课程偏向实践应用，综合成绩构成为：平时成绩占比60%，期末成绩占比40%。期末成绩根据结课作业完成度进行打分。结课作业为一项综合设计任务，即进行一款创意产品样机的设计，需要结合所学的单片机知识对样机进行控制并实现三个及以上功能。综合设计任务是让学生借助三维设计软件进行结构及外观的设计，运用激光切割、雕刻、3D 打印等进行零部件的加工，通过单片机等进行模型控制，使设计的作品生动逼真[7]。

课程目的是希望学生在完成毕业设计的过程中，能够把控制技术引入到作品的设计中，由过去单一的静态模型展示过渡到动静结合的交互展示，体现学生对新知识、新技能的综合应用能力，通过对两届学生的实验性教学，发现存在以下问题：

（1）虽然学生对课程兴趣较大，但由于课程学时较少，同时学生缺乏电工电子技术和C 语言编程的基础知识储备，随着课程的深入，学生学习困难。

（2）在综合设计任务的模型制作中，有些学生用纸板、KT 板软性材料制作模型，有些学生网购已有套件拼装模型，缺乏自主创新。

（3）在课程学习过程中，学生积极思考、主动学习的能力仍需提高，创新思维和创新理论及方法需要锻炼和培养。

2 课程改革

目前，已有很多学者就TRIZ 理论在教学改革中的应用进行理论研究与实践探索：史浩良等将创新方法引入产品的数字化设计之中[8]；张鹏等在测控技术与仪器专业课程设计与实践中结合TRIZ 进行实践教学改革研究[9]；陈良兵等提出基于TRIZ 和专业课程建立紧耦合关系，从理论课、实验课和学科竞赛三方面建立模块化和层次化的教学体系[10]；周琴等基于TRIZ建立新的工程制图课程体系，发挥学生学习的自主性[11]；郑瑾提出基于TRIZ 创新方法重构课程教学内容，采用“专创融合”的教学方法开展启发式教学[12]；徐环斐等把TRIZ 理论和专业课程结合进行教学改革实践，取得较好的效果[13]；陈砚等用TRIZ 指导机械基础课程实验教学改革，提高实验课程的教学效果，锻炼学生综合分析问题的能力，培养学生创新设计的能力[14]。根据文献可知：基于TRIZ 进行理论课程和实践环节的改革，都取得了比较好的效果。

2.1 改革总体思路

根据工业设计专业学生特点和人才培养的目标要求，为使学生既要有设计师的创新设计能力，又具备工程师的工程实践能力，把TRIZ 创新理论融入工业设计工程基础课程教学过程，从理论教学内容、实验项目、综合设计任务、创新方法等方面进行实践探索。建立课程与TRIZ 的耦合关系，如图1 所示。用TRIZ 的创新性思维、技术矛盾及发明原理、物理矛盾及分离原理、技术系统进化法则等融合课程教学。例如，用技术系统进化法制讲述Arduino 硬件发展的趋势、用技术矛盾及发明原理解决实验项目过程中的问题、运用创造性思维开展综合设计任务。

图1 建立课程与TRIZ 的耦合关系

2.2 课程教学改革

（1）课程内容改革。

随着电子技术的发展，智能家电、智能玩具、智能穿戴等产品进入日常生活，这也符合技术系统进化法则。但对于没有单片机技术及编程技术基础的工业设计人员来说，智能产品的功能开发设计难度很大。Arduino 开源硬件可以使设计人员专注于产品设计，降低对其单片机基础的要求。Arduino 开源硬件具有对初学者友好、开放性、第三方社区平台支持、开发成本低的特点，经过十几年的发展，逐渐成为全球最流行的开源硬件。同时越来越多的专业硬件开发者已经使用Arduino 进行项目开发，国内一些高校的自动化、软件、艺术专业也开设相关课程。

在保持教学学时不变的情况下，教师要合理调整各知识点的讲授时间，增加实验学时。教师要结合学生专业特点，重点讲解适用、贴近技术发展的新知识。把原课程AT89S51 单片机内容更换为Arduino UNO 开源硬件的基础应用，包括发光二极管、数码管、LCD1602 液晶显示屏等输出显示设备，按键、光电传感器、超声波传感器、温度传感器等输入控制设备，直流电动机、舵机、步进电机等执行设备。课程内容改革前后对比如表1 所示。合理设计实验项目，使实验项目内容紧贴先进知识技术，不仅是课程内容的巩固和验证，更体现课程知识点的延伸。

表1 工业设计工程基础课程改革前后内容和学时对比

把TRIZ 理想解、创新分类、克服惯性思维、技术矛盾、技术系统进化法则等基本概念引入理论教学、实验教学和综合设计任务的教学实施过程中。用技术系统进化法则向学生讲解电子器件和电路的技术发展路线和理想化模型；要求学生用创新思维和矛盾矩阵进行产品的创新设计，结合专业特点和知识储备进行外观颜色变化、结构优化、迭代设计、技术突破等方面的创新。

（2）实验项目。

传统的实验项目只对课程内容的巩固和验证，而缺乏对知识点的延展。改革后的实验项目分别为流水灯的控制、LCD1602 显示屏的控制、温度测量与报警和直流电动机控制4 个实验项目，共计8 学时。实验目的不仅是增强学生对课程知识点的巩固，还要求学生克服惯性思维，用实验中所用的技术进行发明设计。

“温度测量与报警实验”是改革后新增的实验项目，它包括Arduino UNO、DHT11 温湿度传感器和LCD1602 液晶显示屏、有源蜂鸣器等模块，如图2 所示。通过DHT11 测量环境中的温度和湿度并通过LCD1602 进行显示，当环境温度超过设定值时，有源蜂鸣器发出警示声音。

图2 温度测量与报警原理图

按照常规做法，温度和湿度显示出来，蜂鸣器能报警、能停止，实验就算正常结束。教师鼓励学生利用实验中的技术进行创新，解决日常生活中存在的问题。例如，要求学生结合实验项目拓展设计一款人体温度测量及报警装置，既可测量个人温度，又能测量宿舍温度和湿度。课程中随着TRIZ 内容的融入，教师积极引导学生使用TRIZ 解决问题。方法一：先对问题进行描述：DHT11 主要用作环境温度测量，如果测量人体温度，需要用手紧握传感器进行测量，所测量的温度为与皮肤表面有一定距离的温度，不是人体的温度，接触式测量体温，交叉感染的风险加大；接着运用因果分析方法，得出问题产生的直接原因就是接触式温度测量，所以采用非接触的方式进行测量。方法二：接触式测温方式提高了温度测量的精度，但容易交叉感染，产生有害因素，于是产生一对技术矛盾，并将这对矛盾标准化为测量精度和作用于物体的有害因素两个通用工程参数。通过对TRIZ 矛盾矩阵分析，可使用以下发明原理解决技术矛盾，如表2 所示。

表2 矛盾矩阵（节选）

从表2 可知，可以参考发明原理中的28（机械系统的替代）、24（中介物）、22（变有害为有利）和26（复制）解决问题。经过分析，发明原理28 比较合适，即用光学、声学、味学等感觉性设计原理代替力学设计原理。经查，红外温度传感器可进行非接触式温度测量，它的工作原理是：任何物体只要其温度高于绝对零度，就会向外热辐射能量，由于辐射波的波长不同，通过对物体自身红外辐射的测量，便能准确地测定其表面温度。由此，把DHT11 模块替换为MLX90614ESF-BBA红外测温模块就能进行非接触式的人体温度测量。通过此类引导，拓展了学生的工程实践能力，培养了学生的创新意识。

（3）综合设计任务。

综合设计任务作为课程的结课作业，可体现学生对所学课程知识的综合应用能力。教师要求学生三人一组，以小组为单位制作一个作品模型，要求学生结合自身经验，发现并解决生活中的问题。有一组学生，根据家人蔬菜大棚种植的经历并结合课程知识和TRIZ理论，设计了一款智能蔬菜大棚。按照TRIZ 发明问题解决理论的创新设计流程，把要解决的问题抽象为一个问题模型，找出矛盾参数，并使用TRIZ 工具分析，进行新产品的创新设计。综合设计任务各完成阶段与TRIZ 的关系如图3 所示。

图3 TRIZ 理论及应用

智能蔬菜大棚根据植物生长所需环境参数设定值，通过Arduino UNO 控制器、温湿度传感器、滴灌装置、排气风扇、草垫铺设机构等实现大棚内部温度和湿度的自动调节，降低人工劳动强度。综合设计项目要求学生使用三维软件进行辅助设计和仿真优化，确定方案制作出验证模型。学生可借助激光切割、数控雕刻和3D 打印等加工技术进行模型创作，同时采用Arduino 控制器、驱动电机、DHT11 温湿度传感器、土壤湿度传感器、雨滴传感器、LCD1602 显示设备等，实现模型的运动可控和交互功能。学生部分综合设计任务案例如图4 所示。

图4 学生综合设计验证模型

3 结语

本文通过将工业设计工程基础课程和TRIZ 紧密耦合，将TRIZ 理论体系贯穿于课程的理论教学、实验项目和综合设计任务中。从学生提交的综合设计项目的作品可以看出：学生能够结合生活中遇到的问题，提出需要解决的问题，运用TRIZ 理论提出解决方案。通过课程改革与实践，学生的创新意识、创新能力在循序渐进中得到培养和锻炼，真正达到了为社会培养高质量专业设计人才的目的。