基于TRIZ 理論的卓越工程師創(chuàng)新教育培養(yǎng)模式的研究*

蒯蘇蘇，李新城，陳寒松，朱長順，黃 舒

(1.江蘇大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013;2.江蘇大學(xué) 工業(yè)中心，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

1 引言

“卓越工程師教育培養(yǎng)計劃”旨在培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強、適應(yīng)經(jīng)濟社會發(fā)展需要的高質(zhì)量工程技術(shù)人才，為國家走新型工業(yè)化發(fā)展道路、建設(shè)創(chuàng)新型國家和人才強國戰(zhàn)略服務(wù)。本文在創(chuàng)新方法的最新理論研究前沿上，以創(chuàng)新教育為理念，通過對案例的分析，預(yù)測未來發(fā)展趨勢，制定合適的戰(zhàn)略，使學(xué)生在競爭中取得技術(shù)上的領(lǐng)先優(yōu)勢，成為名副其實的卓越工程師。

2 基于TRIZ 理論的新的理論教學(xué)、實驗、實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)相融合的模塊化教學(xué)模式

當前大學(xué)開設(shè)的機械原理及設(shè)計課程，主要涉及機構(gòu)學(xué)、運動學(xué)、動力學(xué)的內(nèi)容和理論;講解機械零件、減速器詳細設(shè)計的內(nèi)容與方法;對產(chǎn)品創(chuàng)新實現(xiàn)規(guī)律涉及甚少。為解決學(xué)生創(chuàng)造力和創(chuàng)新思維培養(yǎng)的問題，本科階段卓越工程師教育培養(yǎng)計劃應(yīng)以創(chuàng)新教育為理念，學(xué)習(xí)工藝知識，增強實踐能力，提高綜合素質(zhì)，堅持以能力培養(yǎng)為核心的原則，突出特色，根據(jù)TRIZ 理論的沖突、進化和效應(yīng)三模塊［1］，指導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)造性的解決所遇到的發(fā)明問題［2］，用100 個科學(xué)效應(yīng)提高創(chuàng)新水平，具有理論深度和廣度，76 個標準解法，啟迪創(chuàng)新設(shè)計思維，設(shè)計軟件輔助，提升創(chuàng)新設(shè)計效率，工程案例豐富，強化實際操作能力，形成一種新的理論教學(xué)、實驗、實踐教學(xué)環(huán)節(jié)相融合的模塊化教學(xué)模式。

2.1 在教學(xué)中應(yīng)用40 個發(fā)明原理

實踐性教學(xué)包含了機器人技術(shù)公選課、創(chuàng)新課程、機械原理課程設(shè)計、機械設(shè)計課程設(shè)計、畢業(yè)設(shè)計等，目前已開設(shè)的創(chuàng)新課程有:①機電產(chǎn)品創(chuàng)意設(shè)計80 學(xué)時，2 學(xué)分;②產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計制造80 學(xué)時，2 學(xué)分;③機電模型搭建與控制80 學(xué)時，2 學(xué)分;④測控儀器、智能小車開發(fā)80 學(xué)時，2 學(xué)分。TRIZ理論機械創(chuàng)新設(shè)計工程訓(xùn)練教程，在我校認識實習(xí)、公選課和創(chuàng)新課程中普遍使用［3］。對于一個工程問題，當學(xué)生無法直接找到對應(yīng)解時，可以先將此問題轉(zhuǎn)換并表達為一個TRIZ 的問題。然后利用TRIZ體系中的理論和工具獲得TRIZ 的通用解，最后將通用解轉(zhuǎn)化為具體問題的特解，并在工程問題中加以實現(xiàn)，從而解決發(fā)明問題。

課程組老師在教學(xué)實踐中，將產(chǎn)品創(chuàng)新的核心即產(chǎn)生新的工作原理過程具體化，并提出了規(guī)則、算法與發(fā)明原理指導(dǎo)學(xué)生在實踐中創(chuàng)新。

基于TRIZ 理論的慧魚機器人創(chuàng)意設(shè)計公選課，在對機械類專業(yè)學(xué)生開課時，教師首先要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)意，通過對TRIZ 中40 個發(fā)明原理的講解，布置學(xué)生動手搭建一個三自由度機械手，引導(dǎo)學(xué)生使用第3 個發(fā)明原理——局部質(zhì)量，深刻認識局部質(zhì)量含義的三層描述，表1 是通過對機械手需求功能分析，從發(fā)明原理中激發(fā)出的創(chuàng)意。

表1 三軸聯(lián)動工業(yè)機器人的發(fā)明原理

為實現(xiàn)機械手堆垛的功能，通過直線軌跡、圓弧軌跡的分析，引用了電氣機械技術(shù)，采用電子方式測量路經(jīng)，由信號根據(jù)實際需要對控制對象進行編程，自動實行空間任意位置的定位，通過ROBOPro 圖形化編程［4］，控制運動軌跡，模型的演示最終實現(xiàn)機械手垂直或圓弧面堆垛。學(xué)生經(jīng)過機器人技術(shù)公選課的學(xué)習(xí)，培養(yǎng)了創(chuàng)新能力。

2.2 TRIZ 中的S 曲線和進化定律在創(chuàng)新課程中的應(yīng)用

對非機類專業(yè)(醫(yī)學(xué)檢驗、光信息等專業(yè))學(xué)生開設(shè)創(chuàng)新課程，學(xué)生不僅要完成公選課的題目，還要增加探索機器人和仿生機器人的內(nèi)容，例如六足行走機器人，它在TRIZ 進化模塊的S 曲線中處于成長期，仿生技術(shù)可從結(jié)構(gòu)上的進化模式與進化路線引導(dǎo)學(xué)生盡快發(fā)現(xiàn)新的核心技術(shù)，向理想解方向進化。根據(jù)TRIZ 中組成系統(tǒng)的完整性定律:一個完整系統(tǒng)必須由四部分組成:能源裝置、傳動部件、執(zhí)行機構(gòu)、控制裝置，學(xué)生根據(jù)圖1 的進化定律一，迅速有了自已的創(chuàng)意，設(shè)計的六足行走機器人的核心技術(shù)包括:能源裝置采用直線電機、傳動部件采用兩組定軸輪系，每組輪系由5 個齒數(shù)為30 的齒輪嚙合、執(zhí)行機構(gòu)的六只腳分別使用曲柄搖桿機構(gòu)，模擬昆蟲的行走方式“三步態(tài)”，就是其中三條腿(一側(cè)的前、后腿和另一側(cè)的中間腿)總是同時離地，接觸地面的三條腿形成穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)?？刂撇捎肦OBO控制器、ROBOPro 圖形化程序，根據(jù)需要控制脈沖信號，實現(xiàn)自動行走的姿態(tài)。

由于公選課、創(chuàng)新課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生在課外實踐中得到了理論在實踐中應(yīng)用的親身經(jīng)歷，掌握了機械創(chuàng)新設(shè)計和開發(fā)新產(chǎn)品的基本方法，展示了自已的創(chuàng)新作品。

圖1 技術(shù)系統(tǒng)組成

從機械、電氣和計算機多學(xué)科交叉融合工程技術(shù)中，TRIZ 理論對學(xué)生進行了科技知識的啟蒙，學(xué)生學(xué)到了仿生技術(shù)、傳感技術(shù)、計算機技術(shù)以及機器人技術(shù)等，通過創(chuàng)造性思維訓(xùn)練提升了創(chuàng)造力，為卓越工程師必須具備的工程素質(zhì)奠定了基礎(chǔ)。

2.3 TRIZ 推薦的效應(yīng)在畢業(yè)設(shè)計中的應(yīng)用

畢業(yè)設(shè)計(論文)是高校人才培養(yǎng)方案的重要組成部分，是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用專業(yè)知識、理論和技能，分析解決實際問題和養(yǎng)成初步科學(xué)研究能力的一個重要環(huán)節(jié)。以飼料業(yè)為例，對飼料混合均勻度的測量方法有很多，但尚無統(tǒng)一的標準［5］，我國希望能在混合機法規(guī)成為“行業(yè)標準”之前，確定一種最佳測試方法。教師在指導(dǎo)模具專業(yè)學(xué)生畢業(yè)設(shè)計時，用TRIZ 中效應(yīng)模塊的單一效應(yīng)模式實現(xiàn)需求功能，指導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用韋森堡效應(yīng)傳遞切向、法向應(yīng)力，由于攪拌混合物有爬桿效應(yīng)，只需對已有單螺帶、雙螺帶攪拌顆粒進行虛擬分析，尋找一種新型螺帶，不必進行復(fù)雜機構(gòu)的設(shè)計。學(xué)生正確的定義問題后，可沿著混合原理的方向去尋找理想解，見圖2。借助Matlab/Pro-E 建立螺帶物理模型，分析虛擬混合機不同優(yōu)化方案的混合效果，優(yōu)選出左右內(nèi)外反螺旋雙螺帶方案逼近了理想解。根據(jù)理想解加強對一種、多種飼料混合均勻度測量準確度的監(jiān)控。由于選題聯(lián)系生產(chǎn)科研實際，以TRIZ 推薦效應(yīng)設(shè)計的方案具有創(chuàng)新性，在準確的論點上進行分析論證，提高了綜合運用能力和新產(chǎn)品設(shè)計能力。

圖2 基于TRIZ 的解搜索策略示意圖

3 建立和完善滿足機械類專業(yè)“卓越計劃”要求的考核與評價標準

機械學(xué)科與其他學(xué)科的顯著區(qū)別在于它的實踐性、集成性和創(chuàng)新性［6］。但是機械學(xué)科分許多子學(xué)科，因為學(xué)生所學(xué)專業(yè)不同，所以對他們的要求側(cè)重點也不同，圖3 是我校近三年部分實驗、實踐性教學(xué)的統(tǒng)計圖，其中對全校機械類、近機類、非機類專業(yè)必修的機械原理及設(shè)計實驗有1 學(xué)分;對機械類學(xué)生進行UG 培訓(xùn)發(fā)放美國微軟公司證書，作為數(shù)控技術(shù)、逆向工程的先期訓(xùn)練;對大學(xué)全專業(yè)大二的學(xué)生開設(shè)機器人技術(shù)的認識實習(xí)和公選課，作為學(xué)生參加全國大學(xué)生各類大賽的先期訓(xùn)練;對機械類、近機類學(xué)生開設(shè)的激光打標實踐，使學(xué)生掌握TRIZ的第七條進化路線，“由宏觀系統(tǒng)向微觀系統(tǒng)進化”，了解激光加工解決對物體基本粒子狀的精密加工，是先進制造技術(shù)的最新狀態(tài)，正處于成長期。

圖3 2011-2013 年江蘇大學(xué)機械原理及設(shè)計實驗、實踐性教學(xué)統(tǒng)計

綜合性大學(xué)培養(yǎng)卓越工程師要設(shè)立正確的評價體系，將學(xué)生在課內(nèi)教學(xué)、課外實驗、實踐所獲的學(xué)分、參加校級、省部級、國家級創(chuàng)新大賽并獲獎，在畢業(yè)設(shè)計環(huán)節(jié)，開展大學(xué)生科研活動，將發(fā)表論文、申報專利等方面取得的成果、畢業(yè)設(shè)計論文作為滿足“卓越計劃”創(chuàng)新要求的主要考核與評價指標。表2是我校近三年實行TRIZ 理論教學(xué)現(xiàn)狀評分標準。學(xué)生只要滿足分類中的1、2、3 項或1、2、4 項，就可獲得卓越工程師所需的創(chuàng)新學(xué)分，當學(xué)生通過三年校內(nèi)學(xué)習(xí)和一年企業(yè)頂崗實習(xí)，修完本科學(xué)分，達到美國《華盛頓協(xié)議》提出的工程專業(yè)教育標準和工程師職業(yè)能力標準，學(xué)校應(yīng)發(fā)放通過工程教育專業(yè)認證的資格證書。

TRIZ 理論作為大學(xué)機械類專業(yè)的必修課，在課堂教學(xué)中根據(jù)各個專業(yè)的培養(yǎng)目標，將TRIZ 方法的普及、軟件應(yīng)用和教學(xué)實踐作為教學(xué)活動的切人點，在機械設(shè)計、機械原理、工程圖學(xué)、現(xiàn)代機械設(shè)計方法等課程中，通過在傳統(tǒng)課程設(shè)計內(nèi)容上增加創(chuàng)新設(shè)計內(nèi)容，而這些課程設(shè)計的實踐課程采用UG、ADAMS、CATIA、SolidEdge、Solidworks、ANSYS 等軟件培訓(xùn)、單片機培訓(xùn)、機器人培訓(xùn)等眾多方式，培養(yǎng)學(xué)生在實踐過程中正確對待技術(shù)系統(tǒng)中存在的沖突和發(fā)明問題，提出創(chuàng)新性解決方案，其知識級別達到2 級以上。同時TRIZ 作為創(chuàng)新工具，在機械CAD/CAM、逆向工程、數(shù)字化設(shè)計與制造、機械設(shè)計基礎(chǔ)、機械工程基礎(chǔ)、精密機械設(shè)計、機械制造基礎(chǔ)、材料成形學(xué)等課程教學(xué)中，可以用一個原理或一個方法舉出不同的工程實例，甚至相反的例子，使學(xué)生的思維更活躍。也可以在用傳統(tǒng)方法分析一個案例后，利用TRIZ 理論或CAI 技術(shù)進行再分析，使學(xué)生的創(chuàng)新意識得到加強，同時在學(xué)習(xí)中申請獲取較多的國家發(fā)明專利和實用新型專利。

表2 TRIZ 理論教學(xué)現(xiàn)狀

4 結(jié)語

卓越工程師教育培養(yǎng)計劃以創(chuàng)新教育為理念，課堂教學(xué)、實驗教學(xué)和實踐性教學(xué)三環(huán)節(jié)應(yīng)根據(jù)各個專業(yè)的培養(yǎng)目標，形成新的理論教學(xué)、實驗、實踐教學(xué)環(huán)節(jié)相融合的模塊化教學(xué)模式。TRIZ 理論機械創(chuàng)新設(shè)計為培養(yǎng)卓越工程師的必修課，慧魚機器人創(chuàng)意設(shè)計公選課和創(chuàng)新課程則是工程方案實現(xiàn)的最佳載體，在機械設(shè)計、機械原理、工程圖學(xué)、機械制造基礎(chǔ)等核心課程中，通過在傳統(tǒng)課程設(shè)計內(nèi)容上增加創(chuàng)新設(shè)計內(nèi)容，有效培養(yǎng)學(xué)生的工程實踐能力和創(chuàng)新能力，同時在軟件培訓(xùn)、企業(yè)頂崗實習(xí)與畢業(yè)設(shè)計中注重行業(yè)工程標準與創(chuàng)新，使學(xué)生成為具備實際工程背景的應(yīng)用型創(chuàng)新人才。

［1］蒯蘇蘇，馬履中.TRIZ 理論機械創(chuàng)新設(shè)計工程訓(xùn)練教程［M］.北京:北京大學(xué)出版社，2011.

［2］憻潤華.TRIZ 及應(yīng)用——技術(shù)創(chuàng)新過程與方法［M］.北京:高等教育出版社，2010.

［3］余江鴻.培養(yǎng)機械類工程人才創(chuàng)新能力的思考［J］.中國科教創(chuàng)新導(dǎo)刊，2012(11):25.

［4］蒯蘇蘇，陳寒松，孫明權(quán)，等.慧魚智能化立體旋轉(zhuǎn)停車庫的創(chuàng)新設(shè)計［J］.機電工程技術(shù)，2013(8):81-85.

［5］朱 宏.新型臥式雙螺帶混合機設(shè)計［D］.鎮(zhèn)江:江蘇大學(xué)，2012.

［6］沈豫浙，王成軍，張 瑞.機械專業(yè)卓越工程師校企聯(lián)合培養(yǎng)模式構(gòu)建研究［J］.技術(shù)與創(chuàng)新管理，2013(3):267-271，280.