TRIZ發(fā)明問題解決理論與CDIO工程教育理念的融合

左遠(yuǎn)志 郭曉娟 肖漢敏

(東莞理工學(xué)院 能源與化工系,廣東東莞 523808)

TRIZ發(fā)明問題解決理論與CDIO工程教育理念的融合

左遠(yuǎn)志 郭曉娟 肖漢敏

(東莞理工學(xué)院 能源與化工系,廣東東莞 523808)

CDIO（構(gòu)思：Conceive、設(shè)計(jì)：Design、實(shí)現(xiàn)：Implement和運(yùn)作：Operate）工程教育理論是近年來國際工程教育改革的最新成果，TRIZ（發(fā)明問題解決理論）是近年來人類進(jìn)行科學(xué)研究和發(fā)明創(chuàng)新時(shí)卓有成效解決發(fā)明問題的理論方法體系，雖然二者主要針對(duì)的學(xué)科領(lǐng)域不同，但作為教育理念卻有相同之處。對(duì)照CDIO大綱，可以發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)工程教育模式的問題所在，而TRIZ理論可以回答“如何做”的問題。通過產(chǎn)品生命周期，分析了CDIO與TRIZ的內(nèi)在聯(lián)系；借助TRIZ理論中的發(fā)明等級(jí)劃分概念，提出了地方院校實(shí)施創(chuàng)新型人才培養(yǎng)目標(biāo)層次定位的范疇，相應(yīng)地析出了地方院校開展CDIO工程培養(yǎng)模式的側(cè)重點(diǎn)；建立了將TRIZ的分析工具應(yīng)用到CDIO的集成模型；指出CDIO工程培養(yǎng)模式得到基于TRIZ理論的CAI計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新工具的有效支持，將迅速培養(yǎng)和開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維與創(chuàng)造技能。

TRIZ；CDIO；工程教育；人才培養(yǎng)；計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新（CAI）

2010年,東莞理工學(xué)院與清華大學(xué)、上海交通大學(xué)等61所高校一起被批準(zhǔn)為教育部第一批“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”實(shí)施高校。該計(jì)劃旨在培養(yǎng)造就一大批創(chuàng)新能力強(qiáng)、適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展需要的高質(zhì)量各類型工程技術(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(qiáng)國戰(zhàn)略服務(wù)。CDIO工程教育模式是近年來國際工程教育改革的最新成果[1-4]。我校借鑒CDIO模式,結(jié)合東莞地方社會(huì)經(jīng)濟(jì)、校情等實(shí)際,以CDIO大綱中所提出四個(gè)層面的能力為主要培養(yǎng)目標(biāo)的卓越工程師創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式從2010年開始本土化實(shí)踐[5-8]。貫徹實(shí)施中自然存在諸多問題和困難,其中有兩個(gè)問題需要優(yōu)先考慮:一是合理界定地方院校實(shí)施創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的目標(biāo)定位,準(zhǔn)確描述其與研究型大學(xué)構(gòu)建創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式的差異性;二是盡管CDIO工程教育理念提出了普適性的能力培養(yǎng)大綱,還系統(tǒng)地提出了具有可操作性的能力培養(yǎng)、全面實(shí)施以及檢驗(yàn)測(cè)評(píng)的12條標(biāo)準(zhǔn),但集成融合現(xiàn)代創(chuàng)新方法,推廣技術(shù)創(chuàng)新工具,來培養(yǎng)和增強(qiáng)學(xué)生的創(chuàng)新能力與工程實(shí)踐能力是一項(xiàng)開拓性的工作。TRIZ發(fā)明問題解決理論在俄羅斯、美國、日本、歐洲等發(fā)達(dá)國家已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用,在這些國家,該理論已成為指導(dǎo)人們進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)新、解決工程問題的方法論[9-11]。于是,本文試從圍繞“創(chuàng)新設(shè)計(jì)”這一中心概念探討TRIZ發(fā)明問題解決理論對(duì)CDIO工程教育模式的優(yōu)勢(shì)認(rèn)同與關(guān)聯(lián)融合。

1 TRIZ及CDIO理論的內(nèi)涵

TRIZ是“發(fā)明問題解決理論”的俄文首字母縮寫,被稱為“創(chuàng)新的科學(xué)”。由一位俄國學(xué)者根里奇·阿奇舒勒(G.S.Altshuller)等于1946年最先提出。在中國,TRIZ理論被命名為“萃智”理論。TRIZ具有鮮明的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),它將發(fā)明創(chuàng)造問題歸納為5個(gè)層次(參見表1)、48個(gè)通用工程參數(shù)及40個(gè)發(fā)明原理(2003年又增加了37個(gè)),由技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則、技術(shù)矛盾矩陣、物理矛盾分離、物-場(chǎng)模型及發(fā)明問題標(biāo)準(zhǔn)解法、效應(yīng)知識(shí)庫、發(fā)明問題解決程序算法(ARIZ)等分析和解決問題的方法論構(gòu)成的一整套系統(tǒng)化的、實(shí)用的解決發(fā)明問題的分析工具與理論方法體系。它成功地揭示了創(chuàng)造發(fā)明的內(nèi)在規(guī)律和原理,并基于技術(shù)進(jìn)化原理來研究整個(gè)技術(shù)發(fā)展過程,可快速確認(rèn)和解決系統(tǒng)中存在的矛盾。實(shí)踐證明,運(yùn)用TRIZ理論,可加快人們創(chuàng)造發(fā)明的進(jìn)程而且能得到高質(zhì)量的創(chuàng)新產(chǎn)品,如今TRIZ已經(jīng)發(fā)展成為一套解決新產(chǎn)品開發(fā)實(shí)際問題的成熟理論和方法體系,一些大學(xué)也將TRIZ列為工程設(shè)計(jì)方法學(xué)課程。

CDIO代表構(gòu)思(Conceive)、設(shè)計(jì)(Design)、實(shí)現(xiàn)(Implement)和運(yùn)作(Operate),它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體(參見圖1),以工程實(shí)踐為載體,培養(yǎng)學(xué)生掌握基礎(chǔ)工程技術(shù)知識(shí),培養(yǎng)創(chuàng)新能力與工程實(shí)踐能力,在新產(chǎn)品的開發(fā)過程中引導(dǎo)創(chuàng)新,并理解研究和技術(shù)發(fā)展對(duì)社會(huì)的重要影響,承擔(dān)工程科技人才的社會(huì)責(zé)任。CDIO教育理念為現(xiàn)代工程教育提出了一個(gè)系統(tǒng)而普遍適用的能力培養(yǎng)教學(xué)大綱,包括4組一級(jí)指標(biāo)(即四個(gè)層面的能力:技術(shù)知識(shí)與推理、個(gè)人與職業(yè)技能、人際交往能力以及在企業(yè)與社會(huì)的環(huán)境下構(gòu)思設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)運(yùn)作),這4組一級(jí)指標(biāo)還可細(xì)化為17組二級(jí)指標(biāo)以及73組三級(jí)指標(biāo)[12-13]。大綱要求以綜合的培養(yǎng)方式使學(xué)生在這四個(gè)層面達(dá)到預(yù)定目標(biāo)。

圖1 TRIZ及CDIO兩者與產(chǎn)品生命周期的聯(lián)系

“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”就是借鑒國外CDIO等工程教育改革的優(yōu)秀成果,主動(dòng)探索適應(yīng)我國國情的工程科技人才培養(yǎng)模式,以適應(yīng)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型,加快推進(jìn)創(chuàng)新型國家建設(shè)的需要?！白吭健?解釋為“杰出或超出一般”,強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新,“工程師”自然強(qiáng)調(diào)工程實(shí)踐能力,從字面來看,“卓越工程師”與CDIO工程教育理念也完全一致。多樣性是構(gòu)成世界的本質(zhì)特征,因此,“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”采取“行業(yè)指導(dǎo)、校企合作、分類實(shí)施、形式多樣”的實(shí)施原則,支持不同類型的高校參與卓越計(jì)劃,高校在工程型人才培養(yǎng)類型上各有側(cè)重。

對(duì)照CDIO大綱,可以清晰地映襯出我國工科教育實(shí)踐中存在的問題,如重理論輕實(shí)踐、強(qiáng)調(diào)個(gè)人學(xué)術(shù)能力而忽視團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神、重視知識(shí)學(xué)習(xí)而輕視開拓創(chuàng)新的培養(yǎng)等問題。CDIO大綱設(shè)有能力要求目標(biāo)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),但它對(duì)運(yùn)作的細(xì)節(jié)沒有硬性的規(guī)范,對(duì)如何提高創(chuàng)新能力與工程實(shí)踐能力的途徑與操作方法,需要社會(huì)企業(yè)、學(xué)校、老師與學(xué)生等的智慧、努力、創(chuàng)新和本土化的實(shí)踐,并可借助TRIZ技術(shù)創(chuàng)新方法和工具支撐,可以很好地回答“如何做”的問題。

2 TRIZ和CDIO理論的聯(lián)系紐帶——產(chǎn)品生命周期

TRIZ及CDIO兩者與產(chǎn)品生命周期的聯(lián)系如圖1所示。復(fù)雜產(chǎn)品的完整的生命周期一般包含:需求分析→創(chuàng)新概念構(gòu)建→產(chǎn)品創(chuàng)新方案→詳細(xì)設(shè)計(jì)→仿真分析→工藝→樣件→檢測(cè)→量產(chǎn)→組裝→庫存→市場(chǎng)/銷售→使用/維護(hù)→報(bào)廢[14]。產(chǎn)品生命周期還可粗分為構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施和運(yùn)行四個(gè)階段,CDIO工程教育模式就是以產(chǎn)品生命周期上的四個(gè)環(huán)節(jié)來代表四個(gè)教育和實(shí)踐訓(xùn)練環(huán)節(jié),它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運(yùn)行的生命周期為載體,讓學(xué)生以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有機(jī)聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程。CDIO設(shè)有12條標(biāo)準(zhǔn),幾乎每一條標(biāo)準(zhǔn)都把反映產(chǎn)品、過程和系統(tǒng)的生產(chǎn)周期或構(gòu)建能力作為評(píng)判依據(jù),其中心思想就是利用這12項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)引導(dǎo)工程教育的利益相關(guān)者,依據(jù)不同社會(huì)環(huán)境中的可用資源來滿足工程教育的需要?？梢?產(chǎn)品生命周期對(duì)CDIO理念的構(gòu)建影響很大。

另外圖1上表明,CAI(Computer Aided Innovation,計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新)可以支持從“創(chuàng)新概念構(gòu)建”到“仿真分析”各個(gè)階段;“工藝”直到“庫存”階段可由CAD/CAE/CAM/CAT/RE/CAPP等傳統(tǒng)CAX軟件支持。CAI技術(shù)是新產(chǎn)品開發(fā)中的一項(xiàng)關(guān)鍵基礎(chǔ)技術(shù),它是以創(chuàng)新問題解決理論(TRIZ)研究為基礎(chǔ),結(jié)合本體論、現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)、語義處理技術(shù)與計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)等多領(lǐng)域科學(xué)知識(shí)綜合而成的創(chuàng)新技術(shù)。CAI技術(shù)很好地解決了TRIZ理論的軟件化問題,對(duì)創(chuàng)新性技術(shù)問題和技術(shù)矛盾提供更合理的解決方案。這一CAI工具使產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)不再是少數(shù)“創(chuàng)新專家”的專屬,每一位研發(fā)人員都可以在自己的設(shè)計(jì)工作中對(duì)不同的問題進(jìn)行創(chuàng)新實(shí)踐并取得創(chuàng)新解決方案。

CAI為產(chǎn)品生命周期整個(gè)流程提供“非物化知識(shí)”,包括隱性知識(shí)等等;傳統(tǒng)CAX等所提供的為“物化知識(shí)”,包括氣動(dòng)設(shè)計(jì)等等。非物化知識(shí)和物化知識(shí)均屬于企業(yè)的智力資產(chǎn),而非物化知識(shí)的應(yīng)用更需要強(qiáng)大且易用的計(jì)算機(jī)輔助工具加以支持。研究表明,提升企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品自主研發(fā)能力的關(guān)鍵在于大力提升信息和知識(shí)的獲取、處理、共享、運(yùn)用能力,即建立智力資產(chǎn)管理體系。CAI也可以作為一個(gè)企業(yè)智力資產(chǎn)的管理平臺(tái),不僅可以把企業(yè)內(nèi)部的智力資產(chǎn)管理起來,把和企業(yè)外部的智力資產(chǎn)借鑒進(jìn)來,也同時(shí)能夠把物化知識(shí)和非物化知識(shí)兩類知識(shí)管理起來,實(shí)現(xiàn)了對(duì)企業(yè)智力資產(chǎn)管理的全范疇管理。

可見,TRIZ在產(chǎn)品的生命周期中起著舉足輕重的作用。通過產(chǎn)品生命周期,CDIO與TRIZ發(fā)生了聯(lián)系,CDIO提出了現(xiàn)代工程教育的培養(yǎng)目標(biāo)與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),基于TRIZ的CAI技術(shù)則為CDIO的實(shí)現(xiàn)提供了可借助工具、易操作的創(chuàng)新方法。

3 TRIZ理論對(duì)CDIO工程培養(yǎng)模式的契入點(diǎn)與支持

誠如前所述,以精英學(xué)者為培養(yǎng)目標(biāo)的研究型大學(xué)與以技術(shù)專才為培養(yǎng)目標(biāo)的教學(xué)型的地方本科院校在人才培養(yǎng)模式上各有側(cè)重。因此,合理準(zhǔn)確地界定地方院校實(shí)施創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的目標(biāo)定位,能為地方院校的未來發(fā)展提供基本指向。竊以為,創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式的實(shí)質(zhì)區(qū)別是創(chuàng)新能力的層次定位,可采用TRIZ理論中的阿奇舒勒發(fā)明級(jí)別劃分方法來定位。阿奇舒勒等把各種不同的發(fā)明專利,依據(jù)其對(duì)科學(xué)的貢獻(xiàn)程度、技術(shù)的應(yīng)用范圍及為社會(huì)帶來的經(jīng)濟(jì)效益等情況,劃分一定的等級(jí)加以區(qū)別,深入分析和研究不同等級(jí)發(fā)明的特點(diǎn),并開發(fā)出面向不同等級(jí)的科學(xué)創(chuàng)新方法和工具。其發(fā)明等級(jí)劃分及特征如表1所示[14-16]。

表1 阿奇舒勒發(fā)明的等級(jí)劃分及其特點(diǎn)

發(fā)明級(jí)別的劃分可以讓我們對(duì)獲得發(fā)明所需要以及發(fā)明創(chuàng)造的難易程度等有一個(gè)量化的概念。表1的統(tǒng)計(jì)表明,一、二、三級(jí)發(fā)明占了人類發(fā)明總量的95%,這些發(fā)明僅僅是利用了人類已有的、跨專業(yè)的知識(shí)體系;而四、五級(jí)發(fā)明只占人類發(fā)明總量約5%,卻利用了整個(gè)社會(huì)的、跨學(xué)科領(lǐng)域的新知識(shí)。地方院校培養(yǎng)的創(chuàng)新能力就是要有解決一、二、三級(jí)發(fā)明問題的能力,并通過終身學(xué)習(xí),具有解決更高級(jí)別發(fā)明問題的潛力,而研究型大學(xué)的要求應(yīng)該遞進(jìn)一個(gè)層級(jí)。通過這種創(chuàng)新能力的量化界定,確定了地方院校實(shí)施CDIO工程教育模式的側(cè)重點(diǎn),為其建構(gòu)的知識(shí)體系以及能力課程體系提出了量化的要求,并且通過學(xué)習(xí)和掌握TRIZ理論以及基于TRIZ理論的CAI技術(shù)軟件工具,特別是針對(duì)一、二、三級(jí)發(fā)明的創(chuàng)新方法和工具的學(xué)習(xí),為高效培養(yǎng)地方院校學(xué)生的創(chuàng)新技能提出了可操控的途徑,進(jìn)而以此為突破口,為將來從事自主創(chuàng)新提供強(qiáng)有力的方法與工具支撐。

“自主創(chuàng)新,方法先行”,針對(duì)以上五類發(fā)明,TRIZ理論提供了相應(yīng)的創(chuàng)新方法和工具支持。如果是解決第一至第三等級(jí)的發(fā)明問題,可采用解決技術(shù)矛盾的創(chuàng)新原理和解決發(fā)明問題的標(biāo)準(zhǔn)解法與方案庫很快可以得到求解;如果是解決第四等級(jí)的發(fā)明問題,就要用解決發(fā)明問題的標(biāo)準(zhǔn)解法、效應(yīng)知識(shí)庫和發(fā)明問題解決程序算法。如果是解決非常復(fù)雜的第五級(jí)的發(fā)明問題,由于它涉及的變量將會(huì)高達(dá)1萬個(gè)以上,甚至高達(dá)數(shù)萬個(gè),應(yīng)用TRIZ理論提供的工具不可能直接求解,但可采用發(fā)明問題解決程序算法,它提供了特定的算法步驟,能打破思維定勢(shì),激發(fā)創(chuàng)新思維,能夠幫助我們實(shí)現(xiàn)由復(fù)雜模糊的問題情境向明確的發(fā)明問題的轉(zhuǎn)變。TRIZ完備的理論體系和法則、程序,各種分析工具及創(chuàng)新工具可以幫助人們有效地控制發(fā)明過程,將眾多極端復(fù)雜的發(fā)明問題變?yōu)橄鄬?duì)簡(jiǎn)單的解決程序。特別是利用基于TRIZ理論的CAI技術(shù)軟件工具,按程序步步逼近的邏輯方式可找到準(zhǔn)確的答案,創(chuàng)新將像從事日常技術(shù)工作一樣成為可能,創(chuàng)新不再是專家的靈感和頓悟。而地方院校實(shí)施CDIO的側(cè)重點(diǎn)主要針對(duì)一、二、三級(jí)發(fā)明的創(chuàng)新方法和工具的學(xué)習(xí),操作性強(qiáng),效率和成功率高,容易激發(fā)學(xué)生實(shí)現(xiàn)自我夢(mèng)想的情感,創(chuàng)新思維和創(chuàng)新方法的瓶頸一旦突破,在正性馬太效應(yīng)的作用下,可進(jìn)入良性循環(huán)。

4 TRIZ理論與CDIO融合

TRIZ在CDIO中的作用關(guān)系如圖2所示。產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)的內(nèi)容大致可分為兩類:一類是數(shù)值計(jì)算型的工作,包括大量的計(jì)算、分析、繪圖等,稱為詳細(xì)設(shè)計(jì);另一類是符號(hào)推理性的工作,主要是方案設(shè)計(jì)工作,稱為概念設(shè)計(jì)。在概念設(shè)計(jì)期間,所涉及的設(shè)計(jì)需求和條件等,往往是不精確的、近似的或未知的,這造成了概念設(shè)計(jì)過程的復(fù)雜和困難。借助基于TRIZ理論的CAI技術(shù),也如CAD等技術(shù)有效支持詳細(xì)設(shè)計(jì)階段一樣,CAI為概念設(shè)計(jì)提供了先進(jìn)的創(chuàng)新理論、方法與多學(xué)科知識(shí)的支持。得到TRIZ工具的有效支持,可以不必完全依賴設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)。使用TRIZ所產(chǎn)生的概念設(shè)計(jì)與詳細(xì)設(shè)計(jì)分別作用于CDIO的構(gòu)思與設(shè)計(jì)階段,TRIZ與CDIO的有效結(jié)合,將形成和諧的關(guān)系,使得地方院校在實(shí)施CDIO工程培養(yǎng)模式中,極大地提升學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)水平與創(chuàng)新工具應(yīng)用能力。

圖2 TRIZ在CDIO中的作用

5 結(jié)語

行業(yè)的多樣性和對(duì)工程型人才需求的多樣性,這要求地方院校必須采取多種方式培養(yǎng)工程師后備人才。地方院校在實(shí)施CDIO工程培養(yǎng)模式中,指導(dǎo)學(xué)生系統(tǒng)地學(xué)習(xí)TRIZ創(chuàng)新理論和方法,特別是基于TRIZ理論的CAI技術(shù)軟件,通過CAI軟件面對(duì)面,能夠體會(huì)CAI技術(shù)帶來的全新創(chuàng)新解決方案,有了切實(shí)的軟件實(shí)踐體會(huì)后,學(xué)生對(duì)CAI技術(shù)的理解會(huì)更加深入一層、對(duì)先進(jìn)的創(chuàng)新工具和創(chuàng)新理論的掌握也必將更加深刻,從而為高校創(chuàng)新教育模式帶來新的突破。和CDIO教育理念一樣,推行TRIZ理論也存在本土化的問題,今后將繼續(xù)結(jié)合我校自身的發(fā)展特色,針對(duì)TRIZ與CDIO的融合集成作進(jìn)一步的探索。

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The Integration of TRIZ Theory and CDIO Engineering Education Concept

ZUO Yuan-zhi GUO Xiao-juan XIAO Han-min
(Department of Thermal Energy&Power Engineering,Dongguan University of Technology,Dongguan 523808,China)

The CDIO concept is the latest achievement of the international engineering education reform in recent years, while the TRIZ theory is a highly effective methodology to solve the inventive problems in the fields of human scientific researches, inventions and innovations.Though they focus on different disciplines,they have something in common as educational ideas.Contrasting with the CDIO outlines,the disadvantages of the traditional engineering education model can be found,but the TRIZ theory can answer the question of"how to do".Based on the approaches of product life cycle,the internal relations between CDIO and TRIZ are first analyzed in this paper.Then,the rational orientation of local colleges to cultivate new type of talents is proposed through the concept of five invention levels defined by the TRIZ theory.As a result,the emphases of local colleges to carry out the CDIO engineering mode are expounded.The integrated model of applying TRIZ methods to the CDIO engineering mode is also established.Finally,it is pointed out that the CDIO engineering mode integrated with computer aided innovation(CAI)tools from the TRIZ theory will be available for the development of creative thinkings and creative skills.

TRIZ;CDIO;engineering education;talent cultivation;computer aided innovation(CAI)

G642

A

1009-0312(2015)01-0099-05

2014-09-15

左遠(yuǎn)志(1968—),男,湖南湘鄉(xiāng)人,教授,博士,主要從事能源利用技術(shù)研究。