基于TRIZ的大學(xué)物理創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式探索

黃華

【摘 要】將TRIZ引入大學(xué)物理創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，選擇專(zhuān)利文獻(xiàn)中相關(guān)物理效應(yīng)的典型應(yīng)用為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在教學(xué)內(nèi)容上圍繞物理效應(yīng)的應(yīng)用展開(kāi)；在教學(xué)組織上構(gòu)建基于開(kāi)源技術(shù)創(chuàng)新社區(qū)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)實(shí)踐共同體；在教學(xué)方法上提倡共同體成員協(xié)商、對(duì)話解決問(wèn)題；在具體教學(xué)過(guò)程的設(shè)計(jì)上，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用TRIZ理論、方法對(duì)相關(guān)專(zhuān)利進(jìn)行再發(fā)明來(lái)訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。

【關(guān)鍵詞】TRIZ 物理創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn) 教學(xué)模式

中圖分類(lèi)號(hào)：G4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2017.21.177

在國(guó)家大力提倡“大眾創(chuàng)業(yè)，萬(wàn)眾創(chuàng)新”的戰(zhàn)略背景下，許多普通二本院校都向應(yīng)用型本科方向轉(zhuǎn)型，如何培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的應(yīng)用型本科人才是各高校普遍關(guān)心的問(wèn)題。物理學(xué)科的基礎(chǔ)性、應(yīng)用性、實(shí)踐性決定了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)在理工科專(zhuān)業(yè)開(kāi)設(shè)的必要性和重要性。將TRIZ理論、方法引入大學(xué)物理創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)中，探索一種有效的教學(xué)模式，培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和能力的應(yīng)用型人才，具有普遍的價(jià)值。

一、目前大學(xué)物理創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問(wèn)題

主要存在的問(wèn)題是：缺乏創(chuàng)新理論指導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容與生產(chǎn)實(shí)踐結(jié)合不緊密，實(shí)用性?xún)?nèi)容缺乏[1]，教學(xué)方法陳舊，應(yīng)用型本科的應(yīng)用性不強(qiáng)等。

二、TRIZ簡(jiǎn)介

TRIZ譯為漢語(yǔ)是“解決有關(guān)發(fā)明問(wèn)題的理論”，它是前蘇聯(lián)科學(xué)家阿奇舒勒在1946年創(chuàng)立的。TRIZ理論成功地揭示了創(chuàng)造發(fā)明的內(nèi)在規(guī)律和原理，致力于理清系統(tǒng)中的矛盾?；诩夹g(shù)的發(fā)展演化規(guī)律來(lái)研究整個(gè)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)過(guò)程，并且完全解決矛盾，獲得最終的理想解釋?zhuān)沟冒l(fā)明創(chuàng)造不再是隨機(jī)的行為。

TRIZ理論體系：TRIZ的理論基礎(chǔ)是自然科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)和思維科學(xué)；TRIZ的哲學(xué)范疇是辯證法和認(rèn)識(shí)論；TRIZ來(lái)源于對(duì)海量專(zhuān)利的分析和總結(jié)；TRIZ的理論核心是技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則；TRIZ的基本概念包括進(jìn)化、理想度、系統(tǒng)、功能、矛盾和資源；TRIZ的創(chuàng)新問(wèn)題分析工具包括根本原因分析、功能分析、物場(chǎng)分析、資源分析和創(chuàng)新思維方法；TRIZ的創(chuàng)新問(wèn)題求解工具包括發(fā)明原理、分離方法、科學(xué)效應(yīng)庫(kù)、標(biāo)準(zhǔn)解系統(tǒng)和創(chuàng)新思維方法；TRIZ的創(chuàng)新問(wèn)題通用求解算法是發(fā)明問(wèn)題求解算法（ARIZ）[2]。

各國(guó)的工程實(shí)踐證明，應(yīng)用TRIZ理論，對(duì)于技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品研發(fā)具有極大的推動(dòng)作用；世界各知名企業(yè)紛紛采用，獲得了較高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。世界上許多高校積極將此理論引入課程教學(xué)中。將TRIZ理論引入創(chuàng)新性物理實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，對(duì)于系統(tǒng)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力極為必要。

三、TRIZ大學(xué)物理創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

郭獻(xiàn)章，張淑梅，房瑞東等提出了“基于TRIZ-CDIO模式的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式”，（CDIO為工程教育模式。）文中重點(diǎn)介紹了TRIZ-CDIO物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式的應(yīng)用步驟，包括在教材、教案、教學(xué)過(guò)程中如何應(yīng)用TRIZ-CDIO的理論與精神；在項(xiàng)目的研發(fā)與實(shí)施中實(shí)施TRIZ-CDIO的理論；用TRIZ-CDIO方法對(duì)教與學(xué)進(jìn)行能力評(píng)價(jià)與反饋[3]。但缺乏針對(duì)具體的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)提出詳細(xì)的、可操作的方法，且未就物理學(xué)科的理論與實(shí)際應(yīng)用之間的聯(lián)系做深入的分析。

本文在此研究的基礎(chǔ)上，依據(jù)TRIZ理論，將物理效應(yīng)作為理論與實(shí)際聯(lián)系的橋梁，針對(duì)創(chuàng)新性物理實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，提出了基于TRIZ的大學(xué)物理創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。具體論述如下：

物理效應(yīng)在實(shí)際生產(chǎn)生活中被廣泛應(yīng)用，正如阿奇舒勒在《創(chuàng)造是精確的科學(xué)》一書(shū)中所述：不難發(fā)現(xiàn)，簡(jiǎn)單的綜合方法（如分割、反轉(zhuǎn)、組合等），在宏觀水平上占優(yōu)勢(shì)。在微觀水平上占優(yōu)勢(shì)的那些方法，差不多總是用到物理效應(yīng)和現(xiàn)象。在微觀水平上，方法都是物理學(xué)和化學(xué)方面的。因此，為發(fā)明家們提供關(guān)于物理學(xué)方法的系統(tǒng)資料就顯得尤為重要，這可以大大提高他們將物理效應(yīng)和現(xiàn)象用于發(fā)明的可能性。由此可見(jiàn)，將TRIZ理論中科學(xué)效應(yīng)庫(kù)中的物理效應(yīng)作為創(chuàng)新性物理實(shí)驗(yàn)中，物理學(xué)科理論與實(shí)踐聯(lián)系的橋梁最為恰當(dāng)。

在教學(xué)內(nèi)容上，在大學(xué)物理創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，傳統(tǒng)的教學(xué)模式是教學(xué)內(nèi)容更新緩慢，表現(xiàn)在具體的軟硬件建設(shè)上，設(shè)備陳舊，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容更新慢[4]。基于TRIZ的大學(xué)物理創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，以TRIZ理論為指導(dǎo)，圍繞TRIZ物理效應(yīng)知識(shí)庫(kù)，緊密聯(lián)系實(shí)際，緊跟當(dāng)前研究前沿，著重研究和挖掘物理效應(yīng)在實(shí)際中的應(yīng)用，這樣就能解決教學(xué)內(nèi)容更新慢的不足，而關(guān)于實(shí)驗(yàn)設(shè)備問(wèn)題，本教學(xué)模式突破實(shí)驗(yàn)室限制，通過(guò)建立網(wǎng)絡(luò)化大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)信息平臺(tái)[5]，根據(jù)具體項(xiàng)目的不同，首先選擇仿真實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上選擇與相應(yīng)的生產(chǎn)企業(yè)合作的方式來(lái)解決實(shí)驗(yàn)設(shè)備陳舊的問(wèn)題。

在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的選擇上，要緊密聯(lián)系生產(chǎn)實(shí)踐，以創(chuàng)新技術(shù)開(kāi)發(fā)和新產(chǎn)品研發(fā)為目標(biāo)，選擇基于物理效應(yīng)應(yīng)用的技術(shù)開(kāi)發(fā)和產(chǎn)品研發(fā)。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)組織上，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建開(kāi)源技術(shù)創(chuàng)新社區(qū)，組建基于物理效應(yīng)應(yīng)用的技術(shù)開(kāi)發(fā)和產(chǎn)品研發(fā)小組，努力形成包括跨學(xué)科、跨專(zhuān)業(yè)的教師團(tuán)隊(duì)、學(xué)生、生產(chǎn)企業(yè)工程技術(shù)人員等在內(nèi)的學(xué)習(xí)實(shí)踐共同體，極大地突破了創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)的空間和時(shí)間限制。學(xué)習(xí)者實(shí)踐共同體是情境學(xué)習(xí)在人類(lèi)學(xué)研究領(lǐng)域中的另一個(gè)核心要素，它指的是學(xué)習(xí)的生態(tài)性環(huán)境。有研究表明，學(xué)習(xí)者通過(guò)與學(xué)習(xí)環(huán)境的交互作用中，獲得知識(shí)的途徑有兩種形式：一是學(xué)習(xí)者與信息內(nèi)容交互，它導(dǎo)致了個(gè)體知識(shí)的建構(gòu)活動(dòng)；二是學(xué)習(xí)者與其他人（教師、輔導(dǎo)者、同伴等）之間的社會(huì)性互動(dòng)，它導(dǎo)致了社會(huì)性知識(shí)建構(gòu)[6]。而學(xué)習(xí)者實(shí)踐共同體就是促進(jìn)社會(huì)性知識(shí)建構(gòu)的主要途徑。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法上，改革以教師為主的教學(xué)方法，形成以教師、學(xué)生、工程技術(shù)人員等學(xué)習(xí)實(shí)踐共同體成員共同協(xié)商、對(duì)話分析、解決問(wèn)題的方法。

在具體教學(xué)過(guò)程的設(shè)計(jì)上，主要是通過(guò)選擇專(zhuān)利文獻(xiàn)中相關(guān)物理效應(yīng)的典型應(yīng)用項(xiàng)目，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用TRIZ理論和方法，按照應(yīng)用科學(xué)效應(yīng)知識(shí)庫(kù)解決問(wèn)題的步驟，對(duì)專(zhuān)利項(xiàng)目進(jìn)行再發(fā)明來(lái)對(duì)學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)的TRIZ創(chuàng)新思維、創(chuàng)新方法、創(chuàng)造能力的訓(xùn)練。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)選擇合適的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，緊緊圍繞物理效應(yīng)知識(shí)的應(yīng)用，開(kāi)展真實(shí)的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目研究?；顒?dòng)與任務(wù)的真實(shí)性，為理解與經(jīng)驗(yàn)的互動(dòng)創(chuàng)造機(jī)會(huì)[7]。研究表明，在真實(shí)的活動(dòng)與任務(wù)中學(xué)習(xí)的效果遠(yuǎn)比傳統(tǒng)方式好。學(xué)生的學(xué)習(xí)方式由傳統(tǒng)方式轉(zhuǎn)向基于問(wèn)題的建構(gòu)性學(xué)習(xí)。如此一來(lái)，使得學(xué)生對(duì)TRIZ理論和方法的應(yīng)用有一個(gè)系統(tǒng)的、全面的了解和掌握，為學(xué)生今后從事技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。endprint

例如，以設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)新一代“節(jié)能環(huán)保型”注塑機(jī)項(xiàng)目為例，首先確定對(duì)問(wèn)題進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)已有的專(zhuān)利中注塑機(jī)存在的問(wèn)題分析，得到諸如定量泵不可調(diào)節(jié)輸出功率，導(dǎo)致各種閥的磨損、油溫過(guò)高、電機(jī)噪聲過(guò)大等問(wèn)題；其次確定所解決的問(wèn)題需要實(shí)現(xiàn)的功能，如在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)將一定量的塑料加熱、塑化后，以一定的壓力和速度將熔融塑料注入到模具型腔中；第三需求功能定義：使得熔融流體在高壓空氣的作用下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)等；第四根據(jù)功能查找科學(xué)效應(yīng)庫(kù)，得到TRIZ理論所推薦的效應(yīng)；第五篩選所推薦的效應(yīng)知識(shí)庫(kù)中的案例，優(yōu)選適合解決本問(wèn)題的效應(yīng)和案例。通過(guò)篩選，選出能解決功能的物理效應(yīng)有帕斯卡效應(yīng)、歐姆效應(yīng)、螺線管磁場(chǎng)效應(yīng)、磁場(chǎng)力效應(yīng)；第六把效應(yīng)應(yīng)用于功能實(shí)現(xiàn)，并通過(guò)數(shù)字化仿真的方式驗(yàn)證方案的可行性，如果問(wèn)題沒(méi)有得到解決或功能無(wú)法實(shí)現(xiàn)，則重新分析問(wèn)題或查找合適的效應(yīng)，直到問(wèn)題解決。本例中用電器柜控制線圈中電壓或電流的大小和方向，在線圈內(nèi)部產(chǎn)生不同的磁場(chǎng)，使得電磁換向閥在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)接通和斷開(kāi)，進(jìn)而控制高壓流體按照注塑工藝的要求，快速推動(dòng)熔融塑料填充到模具型腔中完成注塑動(dòng)作。第七形成最終的解決方案。基于TRIZ理論科學(xué)效應(yīng)知識(shí)庫(kù)中物理效應(yīng)的運(yùn)用，將注射機(jī)構(gòu)原來(lái)的液壓驅(qū)動(dòng)注射系統(tǒng)改為高壓流體直接推動(dòng)熔融流體的注射系統(tǒng)，成功地運(yùn)用了科學(xué)知識(shí)庫(kù)中的物理效應(yīng)進(jìn)行了產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)。通過(guò)數(shù)字化仿真試驗(yàn)驗(yàn)證，新產(chǎn)品的性能和可靠性從根本上得到了提高。

以上案例中，雖然此項(xiàng)目是屬于機(jī)電設(shè)備，對(duì)于物理學(xué)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生具有一定的難度，但是在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，引進(jìn)CDIO工程教育模式，消化并吸收此模式的合理內(nèi)核，可使得實(shí)驗(yàn)教育具體化、可操作、可測(cè)量，從而可指導(dǎo)師生的教與學(xué)的實(shí)踐活動(dòng)。CDIO體現(xiàn)了系統(tǒng)性、科學(xué)性和先進(jìn)性的統(tǒng)一，代表了當(dāng)代工程教育的發(fā)展趨勢(shì)，也是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的成功方向之一。所以，對(duì)于物理學(xué)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生來(lái)講，也是一個(gè)很好的學(xué)習(xí)工程知識(shí)的過(guò)程。關(guān)于跨專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)難度的問(wèn)題，可以由跨學(xué)科跨專(zhuān)業(yè)的教師團(tuán)隊(duì)加以解決。通過(guò)教師組織學(xué)生在真實(shí)的活動(dòng)和任務(wù)中的積極參與，對(duì)這種專(zhuān)利項(xiàng)目利用TRIZ理論和方法進(jìn)行再發(fā)明的方式，學(xué)生親身體驗(yàn)了運(yùn)用TRIZ理論和方法解決真實(shí)而復(fù)雜的問(wèn)題的過(guò)程，對(duì)物理效應(yīng)在解決工程實(shí)踐中的應(yīng)用有了更加深刻的體會(huì)。這將大大有助于學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握；同時(shí)對(duì)于學(xué)生的創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力也是一個(gè)系統(tǒng)而全面的訓(xùn)練。

在教學(xué)評(píng)價(jià)方面，主要以發(fā)表的論文、實(shí)際申請(qǐng)的專(zhuān)利數(shù)量和質(zhì)量以及成果的轉(zhuǎn)化率為衡量標(biāo)準(zhǔn)。

四、結(jié)束語(yǔ)

基于TRIZ的大學(xué)物理創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，針對(duì)創(chuàng)新性物理實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，將TRIZ理論引入其中，以物理效應(yīng)作為理論與實(shí)踐聯(lián)系的橋梁，在教學(xué)內(nèi)容上圍繞物理效應(yīng)在實(shí)踐中的應(yīng)用展開(kāi)；在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選擇上，選擇基于物理效應(yīng)的專(zhuān)利技術(shù)進(jìn)行再發(fā)明為實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目；在教學(xué)組織上，突破空間、時(shí)間限制，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建開(kāi)源技術(shù)創(chuàng)新社區(qū)，組建基于物理效應(yīng)應(yīng)用的技術(shù)開(kāi)發(fā)和產(chǎn)品研發(fā)小組，努力形成包括跨學(xué)科、跨專(zhuān)業(yè)的教師團(tuán)隊(duì)、學(xué)生、生產(chǎn)企業(yè)工程技術(shù)人員等在內(nèi)的學(xué)習(xí)實(shí)踐共同體；在教學(xué)方法上，提出了學(xué)習(xí)實(shí)踐共同體成員通過(guò)共同協(xié)商、對(duì)話分析解決問(wèn)題的方法；在具體教學(xué)過(guò)程的設(shè)計(jì)上，先通過(guò)對(duì)專(zhuān)利項(xiàng)目進(jìn)行再發(fā)明來(lái)對(duì)學(xué)生進(jìn)行系統(tǒng)的TRIZ創(chuàng)新思維、創(chuàng)新方法、創(chuàng)造能力的訓(xùn)練。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)選擇合適的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，緊緊圍繞物理效應(yīng)知識(shí)的應(yīng)用，開(kāi)展真實(shí)的創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目研究。

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