《機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)》課程中TRIZ理論教學(xué)的探討

鄧援超　劉小鵬

摘要：培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力是《機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)》課程中的重要任務(wù)，需要不斷挖掘?qū)W生的創(chuàng)新能力。TRIZ使創(chuàng)新技法集成為理論體系。本文將案例教學(xué)法用于TRIZ理論的教學(xué)實(shí)踐，并取得了較好的效果。

關(guān)鍵詞：機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)；TRIZ理論；案例教學(xué)

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）45-0157-03

創(chuàng)新是一個(gè)民族進(jìn)步的靈魂，是國家興旺發(fā)達(dá)的不竭動(dòng)力。因此，當(dāng)代大學(xué)生創(chuàng)新能力的強(qiáng)弱對建設(shè)創(chuàng)新型國家起著關(guān)鍵性的作用，也就是說對大學(xué)生的創(chuàng)新能力提出了更高的要求。培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的途徑有很多種，作為培養(yǎng)創(chuàng)造性人才的探索與嘗試，開設(shè)《機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)》課程就是具體途徑之一。

一、創(chuàng)新技法與TRIZ理論的誕生

《機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)》闡明普通人也能搞發(fā)明創(chuàng)造，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)。其內(nèi)容分為基礎(chǔ)知識(shí)篇、理論與方法篇和實(shí)例篇。基礎(chǔ)知識(shí)篇涵蓋機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)的思維基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)，這是創(chuàng)新者必備的基本業(yè)務(wù)素質(zhì)。理論與方法篇包括機(jī)構(gòu)組合原理、機(jī)構(gòu)演化和變異、機(jī)械結(jié)構(gòu)創(chuàng)新、仿生原理、逆向工程、系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方案創(chuàng)新和TRIZ理論體系。實(shí)例篇以工程中的創(chuàng)新實(shí)例來說明創(chuàng)新方法的應(yīng)用。

創(chuàng)新能力源于創(chuàng)新思維?？茖W(xué)的真諦在創(chuàng)造，創(chuàng)造的奧妙在思維，思維的本征體現(xiàn)于想象。人類一直在探索創(chuàng)新能力的提高和培養(yǎng)。迄今為止，世界上總共約有300多種創(chuàng)新技法，如：頭腦風(fēng)暴法、形態(tài)分析法、特性列舉法、缺點(diǎn)列舉法、希望點(diǎn)列舉法、聯(lián)想類比法、反向求索法、組合創(chuàng)新法、廢缺顛倒法、5W1H法、檢核表法、和田12法、魔球法以及特爾斐設(shè)想法等。顯然，作為一種開放的思維形式，今后還會(huì)有更多的新技法問世。但這些技法看上去沒有直接的邏輯聯(lián)系，就像多而雜的五彩萬花筒，令人眼花繚亂，不利于學(xué)習(xí)和掌握；且這些技法在實(shí)際表現(xiàn)中并不盡如人意，有時(shí)會(huì)達(dá)不到預(yù)期的目的。以頭腦風(fēng)暴法為例，它實(shí)質(zhì)上是一種試錯(cuò)法，所提供的管理模式并不能確保成功，所產(chǎn)生的效果也要受到團(tuán)隊(duì)成員個(gè)性和環(huán)境的影響。因此，這些技法被稱為傳統(tǒng)的創(chuàng)新方法。

工業(yè)化社會(huì)以來，產(chǎn)生了無數(shù)的發(fā)明創(chuàng)造，設(shè)計(jì)制造了種類繁多的機(jī)電裝備。如同門捷列夫找到化學(xué)元素間聯(lián)系與區(qū)別的通用規(guī)律，大膽猜想而創(chuàng)生化學(xué)元素周期表那樣，這些發(fā)明創(chuàng)造能否具有可以遵循的通用規(guī)律呢？這個(gè)問題的解決，其本身就是一個(gè)重大的創(chuàng)新。G.S.Ahshuller做到了，他發(fā)現(xiàn)進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)新、解決技術(shù)難題時(shí)，是有特定的科學(xué)方法和規(guī)律的。如果掌握了這些規(guī)律，就能主動(dòng)地進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)并能預(yù)測產(chǎn)品的未來發(fā)展趨勢。由此，G.S.Ahshuller畢其一生精力，創(chuàng)立了現(xiàn)代創(chuàng)新理論，即TRIZ理論。

二、TRIZ理論體系的主干內(nèi)容

（一）TRIZ的理論前提

描述型設(shè)計(jì)過程模型認(rèn)為，設(shè)計(jì)過程可分為問題分析、概念設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)4個(gè)階段。其中概念設(shè)計(jì)是構(gòu)思及選擇產(chǎn)品工作原理的階段，對于已有產(chǎn)品的改進(jìn)設(shè)計(jì)，主要是改進(jìn)部分工作原理；對于新設(shè)計(jì)，要構(gòu)思與選擇全新的工作原理。因此，產(chǎn)品創(chuàng)新的核心是概念設(shè)計(jì)。TRIZ理論就是用來進(jìn)行概念設(shè)計(jì)的。TRIZ的理論前提是技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化原理和沖突解決原理。技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化原理表述為：產(chǎn)品或技術(shù)系統(tǒng)如同生物系統(tǒng)，是持續(xù)進(jìn)化的，且進(jìn)化有規(guī)律可循。沖突解決原理表述為：解決沖突是產(chǎn)品或技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化的推動(dòng)力。進(jìn)化速度隨技術(shù)系統(tǒng)一般沖突的解決而降低，欲使其產(chǎn)生突變，只能是解決阻礙其進(jìn)化的深層次沖突。TRIZ理論的實(shí)用性在于生產(chǎn)實(shí)踐中遇到的工程沖突常常重復(fù)出現(xiàn)，且徹底解決工程沖突的發(fā)明原理易于掌握。實(shí)踐表明，工程人員所遇到的90%的問題都在以往的其他場合解決過，若能利用以往的解決辦法，則研發(fā)將更加有效。問題的焦點(diǎn)在于抽取和歸納沖突和與其對應(yīng)的發(fā)明原理。G.S.Ahshuller已證明發(fā)明可系統(tǒng)化地導(dǎo)出，而不必源自嘗試錯(cuò)誤。

（二）TRIZ的理論體系

TRIZ理論體系由術(shù)語、工具和算法組成。其術(shù)語有技術(shù)系統(tǒng)、功能、矛盾、理想度、資源、效應(yīng)等。作為用于創(chuàng)新的工具，其構(gòu)成有創(chuàng)新規(guī)律、創(chuàng)新方法和創(chuàng)新思維。創(chuàng)新的算法則有九步法、ARIZ算法和自己的算法等。其中創(chuàng)新規(guī)律的內(nèi)容是技術(shù)系統(tǒng)的8大進(jìn)化法則和S曲線。創(chuàng)新方法包括物理沖突（主要采用4條分離方法來解決）、技術(shù)沖突（主要采用39個(gè)技術(shù)特性參數(shù)描述的沖突解決矩陣）、40條發(fā)明原理、物場模型和76條標(biāo)準(zhǔn)解法。后來還添加了根本原因分析，功能分析和知識(shí)庫。創(chuàng)新思維則含有金魚法、小人法、九屏幕法和STC算子法等。

（三）TRIZ理論的本科教學(xué)內(nèi)容

在本科教學(xué)中，只限于討論TRIZ理論的主要內(nèi)容，基礎(chǔ)篇包括技術(shù)進(jìn)化系統(tǒng)法則、技術(shù)沖突與物理沖突、分離方法、40條發(fā)明原理、沖突解決矩陣。提高篇包括物質(zhì)—場分析、理想性觀念、標(biāo)準(zhǔn)解法、資源分析等。

三、案例教學(xué)

掌握TRIZ創(chuàng)新方法，從要求上講需要學(xué)習(xí)者有豐富的工程背景，這樣才能快速有效地掌握TRIZ的創(chuàng)新原理和實(shí)用技巧。但本科教學(xué)中講授TRIZ理論，本科生實(shí)踐知識(shí)和感性認(rèn)識(shí)都比較貧乏，要使學(xué)生掌握TRIZ創(chuàng)新方法，需要大量地采用了案例教學(xué)。案例教學(xué)能加強(qiáng)學(xué)生對TRIZ理論的理解，活躍學(xué)生的評論、分析、推理的思維，提高其應(yīng)用能力。將TRIZ理論與案例教學(xué)結(jié)合，對培養(yǎng)創(chuàng)新觀念，活化創(chuàng)新方法有著事半功倍的效果。

傳統(tǒng)教學(xué)法中教師是教學(xué)的主導(dǎo)，學(xué)生是教學(xué)的主體。由于教師教學(xué)思維的暗示，容易使學(xué)生產(chǎn)生被動(dòng)的慣性思維，導(dǎo)致學(xué)生死記硬背，思維不開放而造成不利于創(chuàng)新。案例教學(xué)中，教師只是粗線條地概述理論要點(diǎn)，主要是提出案例，然后學(xué)生開始研討，使學(xué)生成為教學(xué)中的主導(dǎo)與主體，發(fā)揮其潛在的創(chuàng)新能力。

案例教學(xué)法的教學(xué)過程可以分為四個(gè)步驟：（1）教師講述某一知識(shí)點(diǎn)后，引入案例并介紹有關(guān)背景知識(shí)。（2）學(xué)生討論并構(gòu)建所研究問題的框架，制定案例的研討路線。（3）收集、匯總所有有關(guān)信息，進(jìn)行分析處理。（4）形成研究結(jié)果，并報(bào)告自己的研究成果及收獲。endprint

對于某些較難的或跨學(xué)科的案例，可以課后詳細(xì)研究，鼓勵(lì)學(xué)生間的合作，詳細(xì)收集相關(guān)專業(yè)的資料，留作下一次課的報(bào)告結(jié)果，這種方法能彌補(bǔ)學(xué)生實(shí)踐知識(shí)的不夠。

課堂案例1：技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則2——能量傳遞法則。

其理論知識(shí)點(diǎn)為：技術(shù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能的必要條件。（1）能量必須能夠從能量源流向技術(shù)系統(tǒng)的所有元件。（2）技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)該沿著使能量流動(dòng)路徑縮短的方向進(jìn)化，以減少能量損失。（3）如果某個(gè)元件接收不到能量，就不能發(fā)揮作用，這會(huì)影響到技術(shù)系統(tǒng)的整體功能。

教師舉出實(shí)例：手搖絞肉機(jī)替代菜刀。

背景知識(shí)：絞肉機(jī)的刀片旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)代替了菜刀的垂直運(yùn)動(dòng)，能量傳遞路徑縮短，能量損失減少，同時(shí)提高了效率。

開展討論，學(xué)生自己構(gòu)建出研究問題的框架：技術(shù)系統(tǒng)必須有能量傳遞；自己悟出依照技術(shù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能的必要條件擬定研討路線；課堂氣氛活躍，在討論中收集、匯總有關(guān)信息，自行分析處理；形成各人的案例結(jié)果，發(fā)言并報(bào)告出來，以供深入研討。

教師要做的，只是溫馨提示技術(shù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能的必要條件有3個(gè)，這是可以拓展思維的。于是封閉電梯里不能接收手機(jī)來電，蝸桿傳動(dòng)的搖頭電風(fēng)扇被鴻運(yùn)扇淘汰等案例就被學(xué)生列舉出來了。

課堂案例2：技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則4——提高理想度法則。

其理論知識(shí)點(diǎn)為：提高理想度的途徑。（1）提高有益的參數(shù)。（2）降低有害的參數(shù)。（3）提高有益參數(shù)的同時(shí)降低有害參數(shù)。

提高理想度法則是所有進(jìn)化法則的方向。最理想的技術(shù)系統(tǒng)（即最終理想解IFR）就是作為物理實(shí)體（并不存在），但卻能夠?qū)崿F(xiàn)所有必要的功能。

教師舉出實(shí)例：手機(jī)的進(jìn)化。第一部手機(jī)于1973年誕生，重800g，功能僅為電話通信。而現(xiàn)代手機(jī)僅重?cái)?shù)十克，功能可超過100種，包括通話、游戲、MP3、照相等。

背景知識(shí)：功能的增加必須保證提高有益參數(shù)，如屏幕變大、鍵盤變虛擬等。同時(shí)還要降低有害參數(shù)，如體積和重量不得擴(kuò)大反而要降低等。這樣就提高了手機(jī)系統(tǒng)的理想度。

接下來，學(xué)生自己構(gòu)建出研究問題的框架：最理想的技術(shù)系統(tǒng)就是作為物理實(shí)體（并不存在），但卻能夠?qū)崿F(xiàn)所有必要的功能。自己領(lǐng)悟出依照提高理想度的途徑擬定研討路線；收集并匯總信息，自行分析。于是不需要油漆的彩色家具，不占據(jù)道路和著陸場的運(yùn)載工具——個(gè)人飛行背包，甚至由一生都不長大的寵物狗聯(lián)想到草坪上的草不需要修剪，自己始終維持在一個(gè)高度，從而不需要制造割草機(jī)等案例就被學(xué)生列舉出來了。

課堂案例3：常規(guī)設(shè)計(jì)、現(xiàn)代設(shè)計(jì)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)之比較。

教師給出的背景知識(shí)是教材的論述，僅作簡單介紹。學(xué)生展開討論，自己構(gòu)建出研究問題的框架：三大設(shè)計(jì)各自的內(nèi)涵和特點(diǎn)以及它們之間的異同；自己擬定研討路線；課后討論并收集匯總信息，自行分析；寫出專業(yè)小論文，分組深入研討。

該課程的理論講授階段要求學(xué)生完成兩個(gè)作業(yè)（專業(yè)論文），論文中要求有創(chuàng)新作品的案例和自己的理解；實(shí)驗(yàn)綜合階段則是進(jìn)入學(xué)校的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室觀摩前幾屆同學(xué)的創(chuàng)新作品，然后完成一項(xiàng)創(chuàng)新作品的綜合設(shè)計(jì)。

TRIZ理論的教學(xué)對于教師本身也是一個(gè)挑戰(zhàn)，它要求教師知識(shí)面寬闊，具備終身學(xué)習(xí)的理念，建立起開放式可擴(kuò)充的個(gè)人知識(shí)庫。特別是要不斷開拓自己的思維，為教學(xué)提供基礎(chǔ)。這就需要廣泛收集有關(guān)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的資料，尤其要研讀關(guān)于TRIZ理論的著作，以充實(shí)教學(xué)。結(jié)合教師自己的科研課題，也能歸納提煉上升到理論高度，從而提高自己的創(chuàng)新素養(yǎng)，利于高水平地完成科研課題，也將使課堂教學(xué)生動(dòng)活化。

幾年來的實(shí)踐證明，開設(shè)《機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)》課程能夠提高學(xué)生的創(chuàng)新能力，開拓思路，為參加機(jī)械設(shè)計(jì)制造創(chuàng)新大賽奠定理論基礎(chǔ)。當(dāng)然，創(chuàng)新能力的培養(yǎng)不是一門課或一次創(chuàng)新大賽就可以解決的，應(yīng)該把傳授知識(shí)、培養(yǎng)能力、提高素質(zhì)、發(fā)展個(gè)性特長作為一個(gè)有機(jī)整體去考慮。培養(yǎng)創(chuàng)新型人才是教育的深刻變革，是一項(xiàng)側(cè)重于頂層設(shè)計(jì)的系統(tǒng)工程，需要在學(xué)生成長的各個(gè)階段始終貫徹素質(zhì)教育，著眼于培養(yǎng)創(chuàng)新素質(zhì)。所以，創(chuàng)新教育應(yīng)在課程體系改革的大框架下進(jìn)行。

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基金項(xiàng)目：國家科技部創(chuàng)新方法專項(xiàng)（2012IM021000）

作者簡介：鄧援超（1963-），男，湖北大悟人，碩士研究生，教授，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)理論與創(chuàng)新設(shè)計(jì)。endprint