TRIZ理论在创意物化的设计教学改革中的应用

许慧珍 徐洪军 曹习芳

摘要：提升设计人才的创新能力、工程实现能力。应用TRIZ理论的因果链分析法进行创意物化的痛点与难点分析，构建创意物化关键问题的物场模型，通过物场模型分析找到关键问题的最优解，为创意物化的设计教学改革提供方向。实施“四阶段”TRIZ课程培养计划，建设“TRIZ+设计”教学资源，运用数字化的创意物化流程，组建跨专业的教学团队，实施五步项目驱动教学法，量化创意物化的评价标准。有效地解决了设计教学中创意天马行空、落地难、技术实现难的现状，促进设计创新成果的转化，助力培养制造业急需的设计人才。

关键词：TRIZ理论；创意物化；因果链分析；物场模型；设计教学改革

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2024）01-0100-04

Abstract：To improve the innovation ability and engineering realization ability of design talents. The pain points and difficulties of creative materialization were analyzed by using the causal chain analysis method of TRIZ theory，and the object field model of the key problems of creative materialization was constructed. The optimal solution of the key problems was found through the analysis of the object field model，which provided the direction for the design teaching reform of creative materialization. "Four-stage" TRIZ curriculum training plan was implemented，"TRIZ+ Design" teaching resources were built，digital creative materialization process was used，cross-professional teaching team was established，five-step project-driven teaching method was implemented，and evaluation standards of quantified creative materialization were quantified. It can effectively solve the current situation of creativity，difficulty in landing and technology realization in design teaching，promote the transformation of design innovation results，and help to train the urgently needed design talents in manufacturing industry.

Keywords：TRIZ theory；Creative materialization；Causal chain analysis；Object field model；Design teaching reform

《制造業设计能力提升专项行动计划（2019-2022年）》《中国制造2025》[1]等13个部委共同发布了一系列政策文件。这些文件明确提出改革我国制造业设计人才的培养模式，提倡“构思-设计-实现-运作”的工程教育模式，培养设计人才整合运用新材料、新技术、新工艺、新模式的能力，促进技术成果转化，助力企业集成和原始创新[2]。

聚焦制造业，设计专业人才培养的目标是技术技能复合型创新型人才，这对设计人才的创新能力、工程实现能力与成果转化能力提出了更高要求。但是，当前毕业生真正参与企业的创新研发项目较少，大部分设计人才培养过程中技术与工程知识与运用不足，导致设计毕业生仅成为企业的美工，普遍缺乏将创意落地、创意物化、设计创新成果转化的能力，这成为设计人才培养的痛点与难点。

如何解决设计人才培养的痛点与难点，成为设计教育改革的重点研究方向。传统的创新思维的方法比如5W2H法、逆向思维法、试错法等[3]，可以帮助学生进行思维广度的拓展，产生多个创意想法，但是这些方法缺乏创意实现的有效途径，而TRIZ则成功地揭示了创新创造实现的原理与途径，并将创新实现的过程转换成发明求解的过程，弥补设计教学中创意天马行空、落地难、技术实现难的现状，为创意物化、产业化提供了有效的解决问题的方法。

发明家里奇·阿奇舒勒及其同事通过对全球250万项专利的研究，形成了一种较为完备的“发明问题解决理论（TRIZ）”[4]。这套理论重在分析、解决问题，并形成了成熟的理论方法如：问题分析工具、问题求解工具、技术进化趋势分析、创新思维训练工具等，运用此理论，可以快速准确地解决问题，具有应用面广，推广价值高的特点，见图1。

近年“TRIZ”创新方法的推广应用主要集中在以下3个方面。

（一）运用TRIZ方法解决具体产品的创新设计

运用TRIZ方法解决具体产品的创新设计，如吸油烟机降噪创新设计、手持吸尘器设计，基于Triz理论的戴森产品线吸尘方案设计研究等，其中程好军等[5]基于Triz理论的戴森产品线系列创新机制研究，基于TRIZ技术演化的理论，运用个案研究的方法，探讨了产品技术创新的演化机理，同时从戴森的产品系列创新中发掘出Triz的理论价值。

（二）TRIZ 理论方法与设计创新方法融合研究

融合 TRIZ 理论方法与设计创新方法进行研究的案例很多，如石伍元等基于AD与TRIZ的病区巡护机器人功能集成设计[6]，以AD为流程框架，映射用户域与功能域，运用TRIZ分析矛盾，最后结合最小信息公理优选设计方案。如李德胜等多创新方法融合框架与模型的构建，以TRIZ理论为武器，六西格玛、精益生产等技术手段相辅，结合不同的创新方法，整个工程中进行创造性地发现与解决[7]。

（三）TRIZ 理论方法在教学建设的应用

高校运用TRIZ理论在培训平台、课程教学、创新创业，教学方法方面开展研究如余意平等关于基于TRIZ理论的设计创新服务平台构建研究[8]；刘靖等也尝试将在产品设计教学内容中加入TRIZ理论，引导学生运用TRIZ理论中科学的创新方法，完善整个产品开发流程[9]。

总结以上，TRIZ 理论的研究方向与领域比较广泛，但是目前TRIZ的理论研究大多用于具体产品研发的实践，体现为个例的具体解决路径，TRIZ理论的人才培训体系融入不够深入，不够完善，推广应用性较弱。

创意物化是将创意实物化、可视化与可检验化的一个过程。创意物化的目的是验证创意、发现创意中存在的问题，进而优化设计，为创意成果转化提供了有力保障。创意“物”化中的“物”不局限于实物，也不局限于物的材料与形式，这里的物既可以是虚拟仿真的模型，也可以是具体的一个个可以触摸的实物；物的材料既可以是发泡塑料，油泥、ABS、也可以是3D打印的材料。

创意物化对于设计专业的教师与学生来说，每一个课程项目，每一次设计比赛中都会面临把想法变成现实的常态，但是遗憾的是，教学中的创意大部分都不能成为现实。因为将创意落地化，转化为现实，是一项非常繁琐的工作，实施的过程会出现许多意料之外的情况，甚至无数次推翻重来，此外，创意物化设计教学中也缺乏明确的实施流程与成果评价标准。

将TRIZ引入设计教育，有助于让设计教育在TRIZ的引导下更卓有成效地发展与迭代[10]。TRIZ理论是一种新的问题解决方法[11]，运用TRIZ理论进行创意物化的设计教学改革遵循问题分析与问题求解的过程，首先，运用TRIZ理论的因果链分析找出创意物化系统中潜伏的关键问题，然后，运用TRIZ的物场分析模型，识别创意物化的关键问题所在区域的3个元素，确定3个元素的相互联系及作用，根据三者之间的联系构建基本的物—场模型，由物场模型所表现出的类型查找所对应的标准解系统，找到最优解的物场模型[12]，最后，根据最优解进行设计教学改革的实践与成效验证，见图2。

（一）应用因果链分析创意物化设计教学改革的问题

因果链分析是现代TRIZ理论中一个重要的分析问题的工具，可以帮助我们进行深入的问题分析，找到潜伏在系统中的深层原因，建立起初始缺点与各个底层缺点的逻辑关系，找到更多解决问题的突破点。运用因果链分析方法进行创意物化的设计教学问题分析[13]，首先，找到3个起始缺点——创意物化实施困难、学生的技术工程能力不足以及现任教师的教学经验不足；然后，深入分析这3个起始缺点的二级缺点与三级缺点，进而找到创意物化设计教学系统中深层次的原因，见图3。

依据创意物化的因果链分析模型，确立4个关键问题：

（1）现有的课程体系不足以实施创意物化。

（2）传统的创意物化过程繁琐、费时、费力、成本高。

（3）现有的教学模式不足以训练学生的工程结构能力。

（4）现有的师资不足以帮助学生更好地实现创意物化。

（二）应用物场模型求解创意物化设计教学改革的关键问题

物场模型是某个功能的实现，需要有3个元素，即 S1，S2为两个物质，S1和S2的相互作用力为场F。有效完整的物场模型（直线标示）3个元素都存在且共同作用，达到期望值。不完整的模型（虚线标示）主要表现在缺物质或者场，需要补齐所缺失的元素，使模型完整，见图4。

关键问题1：现有的课程体系不足以实施创意物化，传统的设计课程体系来源于包豪斯，主要包括设计基础、设计技能（软件）与产品设计系列课程，整套课程体系重在传授设计美学、设计软件运用、产品造型设计、产品创意设计，却忽略了创意设计的可行性，导致创意只停留在想法层面。以S1（传统课程体系），S2（创意物化），F1-教学场，建立的效应不足的物场模型，见图5所示。

在传统课程体系中引入S3-1（TRIZ进化趋势分析工具）、S3-2（问题分析与求解工具）与S3-3（创意思维训练工具）能够有效地弥补传统课程体系创意物化的教学内容缺失的问题，如运用TRIZ进化趋势的S曲线工具进行创意的可行性分析[14]，可以帮助学生进行创意的收敛与筛选，让学生清晰地看到创意所运用的技术现状，如果技术趋于成熟，则创意的可实现性较高，如果技术处于雏形，则创意可实现性弱。

关键问题2：传统的创意物化过程繁琐、费时、费力、成本高，传统的创意物化实施过程，见图6：首先，进行概念设计与三维设计，然后进行草模制作与测试、三维数据修改、功能模型制作与测试等，这个过程需要经历很多次的物理样机，既需要学院投入大量的设备与场地，还需要教师花费很多的时间、精力，由此耗费巨大的人力物力，传统的物化流程阻碍了创意物化的实施，以S4（传统物化流程），S2（创意物化），F1（教学场），建立效应不足的物场模型，见图7所示。

引入S5-1（虚拟样机）与S5-2（3D打印）新技术，可以完成无数次物理样机无法进行的虚拟试验，从而无须制造试验物理样机就可获得最优方案，同时运用3D打印技术进行快速物化，不但减少了物理样机的数量，而且缩短了产品研发周期、提高了产品质量，让学生完整地体验创意物化的全过程。

关键问题3：现有的教学方法不足以训练学生的技术工程能力，传统的课程体系中设有材料工艺、人机工程、结构设计等相关课程，但课程授课方式以讲授为主，课程结束后普遍出现的问题是知识与应用脱节，学生不知为何应用，如何应用？导致学生技术工程能力不足。如图8所示以S6（传统课程教学模式），S7（技术工程能力），F1（教学场），建立出效应不足的物场模型。应用TRIZ理论物场分析对关键问题3求解：引入新的教学资源与教学方法S8，運用实物样品案例库与虚拟实物案例库（S8-1）进行实例讲解，让学生清晰地看到材料工艺的具体应用，运用项目驱动的教学法（S8-2），设计出材料与工艺的运用项目，让学生亲身体验到材料工艺搭配、连接与支撑结构设计的合理运用，有利于提高学生的技术工程能力。

关键问题4：现有的师资不足以帮助学生更好地实现创意物化，现有设计学院师资注重高学历，高职称，且80%为设计学科毕业的师资，设计师资的教学内容以设计学为主，但实现创意物化不仅需要设计学知识，更需要以材料工艺为支撑、结构设计为实现，以及丰富的设计实战经历为经验。如图9所示以S9（现有师资），S2（创意物化），F1（教学场），建立的效应不足的物场模型。应用TRIZ理论物-场分析对关键问题4求解：引入跨专业的材料、机械、模具师资（S10-1）与企业的一线师资（S10-2），有利于创意物化的教学实施，增强教学实施的可行性。

（三）优化物场分析中的标准解，提供创意物化设计教学改革方向

针对创意物化过程中的4个关键问题运用物场分析得到标准解，找到现有的设计教学改革的方向。

（1）融合TRIZ理论课程，提高学生的创意可行性分析与问题的求解能力，为学生提供有利于创意物化的重要思路与工作方法；

（2）应用虚拟样机与3D打印新技术的数字化物化流程，优化创意物化的实施流程，提升设计教学的效率；

（3）建设材料、工艺、结构的实物样品库与虚拟仿真样品库，运用项目驱动的教学方法，提高学生的技术工程应用能力；

（4）构建跨专业的师资与跨领域的师资团队，保障创意物化的设计教学实施，指导学生进行项目模拟与实战训练。

依据创意物化的设计教学改革方向，构建出创意物化的设计教学实践方案，实践方案设计出四阶段“TRIZ+核心课程”训练体系，贯穿设计专业4个学期的专业核心课程；应用数字化的创意物化设计流程进行教学实施，创建学生感兴趣的“TRIZ+设计”资源案例平台，建设海量的TRIZ案例资源平台，组建“工作室式”的教学环境与跨专业的教学团队，实现开放式、研讨式教学，支撑四阶段的“TRIZ+核心课程”计划；设计精准的考核评价；实施“启、教与学、做与悟、评、拓”五步项目驱动教学法，具体如图10所示：

（一）嫁接创意概念与实现，实施“四阶段”TRIZ课程培养计划

以TRIZ理论为桥梁，嫁接创意概念与创意实现，打破课程群体各自为政，缺少过渡衔接的现状，将TRIZ理论模块知识穿插式地融入4个阶段的项目课程中，实现四阶段项目课程内容难度递进化，有效地培养学生的创意落地与工程实现能力。TRIZ理论主要运用于设计4个学期的核心课程——创意概念设计、产品结构设计、产品创新设计、毕业设计。具体，如图11所示：

创意概念设计中融入的TRIZ方法是专利资料查询与分析法、产品生命周期法则、创新方法的差别与比较等，通过TRIZ方法的融入，让学生查阅并学习创意概念的实现案例，掌握产品的发展趋势。

将TRIZ工具引入到了产品结构的设计中，从纵向技术系统发展的各种连接结构，到横向技术系统应用的各类原理，再到结合TRIZ理论的物理模型应用上，让学生在工程结构设计项目中应用实践。

产品创新设计重在运用创新思维的启发与实践，通过最终理想解、九屏法、小人法等工具，启发学生创新思维，寻找出具有创造性解决问题的方法。

毕业设计重在引导学生解决实际问题，通过校企合作，进行项目研发，形成设计成果方案，申请专利，并进行科研成果的转化。

（二）建设“TRIZ+设计”教学资源

梳理“TRIZ+设计”的国外创新设计案例、企业产品创新研发案例、高校的优秀创客案例等3个方向的资源，形成“TRIZ+设计”的海量数字资源平台，支撑教学项目的实施。

基于TRIZ方法的应用实践需求，建设“工作坊”式教学环境，基于开放式和互动式的工作坊，互换师生角色，构建开放、共享的教学氛围与环境，强化课堂教学与实践教学的融合，有利于TRIZ方法的实践运用，增强学生创新意识和团队精神，有效地拓展了创意思维，锻炼工程实现能力。

组建跨专业的师资团队，整合工程实现能力强的机械与模具专业师资形成“设计+机械+模具”的师资团队，跨专业教学团队共同指导学生完成校企合作项目的研发与创客项目的开发。

（三）运用数字化的创意物化流程，实施精准化考核评价

运用虚拟样机与3D打印技术的数字化创意物化新流程，使用AHP层次分析法进行评价指标的系统分层，分层出创意思维、三维建模、虚拟测试、模型打印与成果转化5类评价指标，设置5类指标的合理权重，并对5类指标进行层次细化，如创新思维的评价指标分层出广度、新颖度与深度3个子指标，成果转化的评价指标分层出专利转化、竞赛转化与产业转化3个子指标；并量化出每类细分指标分数见图12。

（四）实施“启、教与学、做与悟、评、拓”五步项目驱动教学法

在教学实施中，以典型案例为牵引，引导学生找到解决问题的方法，形成教师引导、学生思考的项目驱动教学法。

第一步“启”，导入TRIZ案例，实行互动式，启发式教学，小组研讨案例，通过案例学习TRIZ理论，分析设计相关的TRIZ应用实例，激发学生学习TRIZ理论的主动性与积极性。

第二步“教与学”，实施项目驱动教学，在构思设计教学中强化融合TRIZ理论的设计创新，传授学生39*39的矛盾矩阵、40个发明原理等标准化分析方法，让学生以项目驱动为载体进行构思并提出解决方案[15]。

第三步“做与悟”进行产品设计与实现，进行结构设计与实物模型制作验证，进一步发现问题，改进方案，进行产品优化与迭代，体验TRIZ方法应用的全流程，反思TRIZ理论的应用效果。

第四步“评”，在评价标准中打破单一评价模式，引入教师、学生、企业多元评价主体，进行作品交流分享，结合AHP层次分析法进行过程与成果评价的分层量化，获得客观、公正的评价，并实现小组团队之间互相学习，促进团队合作与交流。

第五步“拓”，将学生设计成果进行拓展运作，引导学生进行发明、实用等专利申报，参加各级各类创新创业，学科竞赛，挑战杯大赛等，拓展TRIZ方法应用的广度与深度，让学生深刻體会到TRIZ方法的价值，对培养创新能力大有帮助。

融入TRIZ理论的创意物化设计教学改革针对工业设计专业实施了三轮，效果显著。

创意物化项目融合了“思维、方法、技术、材料、工艺、结构”知识模块，将抽象的知识转化为可感、可做、可实施的教学任务。学生在图书馆、创新中心、校企研发平台等开放教学场所，开展项目研讨、分享与合作，学生的专业综合能力提升效果明显。

通过项目驱动的教学实施，带领学生从“创意、设计、仿真、实物”等不同的视角，进行复杂问题的分析与解决，提升了学生多维度创新思维，每年完成了创意物化实物100多件，并选取最精美的实物作品面向全校公开展示，提升了学生的创新能力。

运用创意物化的设计教学改革，近三年，师生授权发明专利10多项，实用新型专利100多项，校企研发项目成果转化到款300 余万，获得高职高专挑战杯创新创业大赛获特等奖 1 项，一等奖 2 项，二等奖1项。

TRIZ融入创意物化的设计教学改革方案不仅可以帮助设计类院校培养学生创新思维与工程实现能力，而且可以培养学生的持续创新能力，促进设计创新成果的转化，助力解决制造业设计人才的培养。

基金项目：高职本科——设计专业教学标准研制（JXHYZX20201-53）；高职专科——设计专业教学标准研制（JXHYZX20201-26）；2023年度高等学校国内访问工程师“校企合作项目”（绿色设计需求视角的AHP-TRIZ机电工具优化设计研究）

参考文献

[1]梁雪梅；谭莉；盘颖；陈茂清.基于TRIZ的设计人员创新力培养体系建设研究[J].科技管理研究，2021，41（17）：12-18.

[2]周子勋.提升制造业设计能力为高质量发展赋能，《中国经济时报》，https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1648834621439932479&wfr=spider&for=pc（2019-10-31）

[3]郑刚强；王征；王博；王志；王振鹏.“设计产业化”与“产业战略设计”论纲[J].包装工程，2021，42（10）：75-84.

[4]根里奇斯拉维奇阿奇舒勒著；谭培波，茹海燕，Wenling Babbitt译.创新的算法-TRIZ、系统创新和技术创造力 [M]. 武汉：华中科技大学出版社，2008：1-50.

[5]程好军，齐群波，王征，基于TRIZ理论的戴森产品线系列创新机制研究[J].设计，2018（02）：110-112.

[6] 石元伍齐廉恒美.基于AD与TRIZ的病区巡护机器人功能集成设计[J].设计，2019，32（08）：131-133.

[7] 李德胜，于静宜，陈志娟，李志鹏，张新胜.多创新方法融合框架与模型的构建[J].创新创业理论研究与实践，2021，4（8）：107-109.

[8] 余意平； 杨勤； 基于TRIZ理论的设计创新服务平台构建研究[J].设计，2018，（3）：48-51.

[9] 刘靖，张春雨，乔印虎，李会芳，蒋忠愉.Triz理论在设计专业产品设计课程教学中的应用[J]. 课程教育研究. 2020，（03）：253-254.

[10] 周苏、张丽娜、陈敏玲；创新思维与TRIZ创新方法[M].北京：清华大学出版社，2018

[11] 孙永伟，（美）谢尔盖·伊克万科：TRIZ 打开创新之门的金钥匙 1[M].北京：科学出版社，2015

[12]刘小勇，吴小玲，李荣丽，秦昕洲；基于TRIZ 冲突解决原理的产品感知设计方法研究[J].机械设计，2020，37（11）：139-144.

[13]白仲航，王雯，张敏，裴卉宁，基于可拓学与因果链分析的产品创新设计研究[J].机械设计. 2022，51（7）：130-133.

[14]史诺，何洁，李懿，TRIZ理论融入机械类专业毕业设计的创新训练与实践研究[J].机械设计与制造工程. 2022，51（7）：130-133.

[15]邱金龙； 刘红利； 赵辉.TRIZ理论在提高学员创新能力中的应用模式探索[J].教育教学论坛. 2021，（33）：37-40.