基于機械設計課程開展TRIZ理論教學的實踐研究

辛禮兵

(安徽職業(yè)技術學院 汽車工程學院，安徽 合肥 230011)

機械設計課程是結合理論和實踐進行教學的課程。它主要是培養(yǎng)學生具有豐富的實驗思想，掌握實驗方法和解決實驗問題的手段，同時給學生提供綜合性較強的實驗技能訓練，以培養(yǎng)學生的機械設計、研究和開發(fā)能力，為培養(yǎng)新時代的創(chuàng)新型人才打下堅實的基礎。TRIZ是俄文“теории решения изобретательских задач” 的英文音譯“Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch”的縮寫，意譯為發(fā)明問題的解決理論，其英文全稱是Theory of the Solution of Inventive Problems。TRIZ理論是經(jīng)過長期的探索總結出的具有嚴謹?shù)倪壿嬓缘睦碚摚軡M足機械設計教學中的嚴謹性、邏輯性，同時在教學中加入TRIZ理論，就能夠進行系統(tǒng)地分析問題，并快速地發(fā)現(xiàn)問題的本質和矛盾，準確的找到問題探析的方向，調(diào)動學生自主學習的積極性，打破學生原有的思維模式，從新的視角分析問題，結合邏輯性和非邏輯性的綜合思維，創(chuàng)設出新型的產(chǎn)品。

1 TRIZ理論的內(nèi)容

1.1 分析問題的方法和創(chuàng)新思維的方法

在TRIZ理論中給出了科學的分析問題的方法，對于較為復雜的問題，可采用建模的方法對問題進行分析。這些方法能夠很快的發(fā)現(xiàn)問題的根本所在。

1.2 TRIZ理論的的核心

技術系統(tǒng)進化論是TRIZ理論的核心，該理論體現(xiàn)了產(chǎn)品的進化規(guī)律滿足S- 曲線，如圖1所示。

TRIZ理論把產(chǎn)品的進化過程分為嬰兒期、成長期、成熟期和退出期四個階段。通過這四個階段的進化規(guī)律，對產(chǎn)品的結構、參數(shù)等技術狀態(tài)進行分析，預測未來的發(fā)展趨勢，以開發(fā)出適應市場競爭的新產(chǎn)品。

圖1 分段線性S-曲線

1.3 針對設計技術矛盾的解決原理

在TRIZ理論中提出了39個通用工程參數(shù)來描述設計技術矛盾。在實際應用中，通常只采用其中的兩個進行表示，把實際工程設計中的矛盾轉化為標準沖突，這樣形成了不同的設計作品共同的遵循規(guī)律，在TRIZ理論中把這一共同的規(guī)律劃分成40個創(chuàng)新原理。在設計作品時可以在這些原理的基礎上結合實際情況找尋具體的解決方案。

1.4 對設計創(chuàng)新問題的解法

在TRIZ理論中對于不同類型的物-場模型中的具體問題，給出了相應的處理方法，例如模型的轉換、修整以及物-場的添加等。

1.5 設計技術系統(tǒng)中解決發(fā)明問題的方法

TRIZ理論在設計中解決發(fā)明問題的一般方法是把發(fā)明問題進行定義，之后再根據(jù)TRIZ理論中的方法把發(fā)明問題轉化為標準問題進行解決，其解決方法圖見圖2。此外，TRIZ理論中還有ARIZ算法，主要是解決技術系統(tǒng)中存在的不明確矛盾，通過對問題進行一系列非計算性的邏輯，實現(xiàn)對問題的深入分析、轉換至解決。

圖2 TRIZ解決發(fā)明問題的方法

1.6 提供豐富的知識源

TRIZ理論集聚了物理、化學、幾何學等工程原理和分析結果，能夠為機械設計提供豐富的方案資源。

2 機械設計課程教學

2.1 機械設計課程的特點

機械設計課程的教學是以機械傳動裝置的設計作為出發(fā)點，對一些通用零件的結構、特點以及工作原理進行研究，掌握它的選用原則、設計方法、使用及維護等。同時，機械設計課程又是一門技術課程。通過對課程基礎知識的學習和作業(yè)實踐，培養(yǎng)學生對簡單機械裝置的選用、分析和維護的設計能力。機械設計課程綜合了工程圖學、工程力學、機械工程材料和熱處理等課程知識和實踐經(jīng)驗，通過對此課程的學習解決通用的機械零部件的設計問題，為以后的機械設計工作打下基礎。機械設計的流程如圖3所示。

圖3 機械設計流程圖

2.2 機械設計課程教學方法

機械設計課程是一門技術基礎課程，主要是針對一般工作條件和通用機械零件的工作原理、設計理論、計算方法和機械系統(tǒng)方案進行設計研究。它的目的是使學生掌握機械設計理論的基本知識，同時培養(yǎng)學生的實踐能力和創(chuàng)新能力。機械設計課程常采用講授式、啟發(fā)式、討論式以及案例式等教學方法，在課程教學過程中要結合實際的教學內(nèi)容把這些教學方法進行有效的結合。此外，為了達到更好的教學效果和學生創(chuàng)新能力的提升，教師可以借助多媒體動畫軟件或是利用實物、模型等手段給學生直觀的展示教學內(nèi)容，這樣更能激起學生的學習興趣以及創(chuàng)新思維的開發(fā)。

2.3 機械設計課程教學過程中存在的問題

(1)機械設計課程教學內(nèi)容較多，目前高校的教學任務都較為繁重，針對此情況，各校均采用壓縮課時來解決，因此，在教學過程中教師從眾多的模型中選比較重要的幾個簡單模型進行講解，但教授的對象又是不同專業(yè)的學生，這樣概括性的講解會造成學生的模糊理解。

(2)機械設計課程是一門實踐性較強的課程，一些學校教學內(nèi)容安排不太合理，使得實踐教學跟不上理論教學，使學生在學習過程中感到十分困難。

(3)機械設計課程具有較強的理論性，并且概念都比較抽象。在教學過程中一些教師偏重課堂講授且理論性內(nèi)容講述占很大的比例，造成學生對此課程的重視度下降，創(chuàng)新思維減弱。

3 機械設計課程教學中應用TRIZ理論的意義

3.1 TRIZ理論內(nèi)容中的沖突矩陣的學習豐富了學生解決機械設計中問題的方法

在機械設計中的發(fā)明問題，其主要特征是存在沖突。而TRIZ理論中的ARIZ算法把初始的問題用管理沖突進行描述，之后再在TRIZ的資源庫的實例中尋找相似的問題進行類比求解，在無法求解的情況下就轉化為技術沖突，利用40條創(chuàng)新原理進行求解，若問題還無法解決時，就要進行深入分析，來尋找物理沖突，由理想解來確定物理沖突。其求解圖如圖4所示。

圖4 ARIZ算法流程圖

ARIZ算法在解決問題的過程中要求開闊思路，尋找創(chuàng)新的求解思路，其中最主要是，利用TRIZ理論中的工具，結合一系列的心理算法，克服原有的思維模式。

3.2 TRIZ理論的應用增加學生的創(chuàng)新意識和發(fā)現(xiàn)問題的能力

TRIZ理論認為：解決技術系統(tǒng)中存在的沖突是促進技術進化的根本動力。因此，在機械設計課程教學中引入TRIZ理論，就能夠培養(yǎng)學生的創(chuàng)新意識，通過對機械設計中問題的解決，增加學生主動發(fā)現(xiàn)問題的能力。此外，在課程講授過程中運用TRIZ理論，還能對常用機構進行創(chuàng)新。

例如：在給學生講授“機械運動速度波動的調(diào)節(jié)”的內(nèi)容時，可以拿現(xiàn)實中的地下車庫中的通風設備為例，班級分組，讓小組提出設備改進方案。要求是，葉片的強度增強，要易于制造，維修簡單且成本低，不能有大的外觀改動，減少對工人技術的依賴性。

針對此例，學生按要求總結：提高強度，葉片和輪轂進行整體鑄造；維修簡單且成本低，更換低成本輪轂。用TRIZ理論中的沖突矩陣反映此例中的要求：“強度”和“方便性”呈相反趨勢，“易維修性”和“復雜性”呈相反趨勢。對此利用TRIZ理論中的40條創(chuàng)新原理尋找解決方案。綜合各方面的要求可采用下述方法。

創(chuàng)新原理1：分割原理。把輪轂的基座和葉片進行拆分，再把其主軸和基座鑄造在一起，最后使葉片與輪轂基座進行配合，對葉片進行固定。

創(chuàng)新原理2：分離原理。把風機的葉片進行單獨制造，利用鑄造工藝提高葉片的強度，把葉片的底部設計成桿狀并和輪轂進行聯(lián)接。

創(chuàng)新原理10：預先作用處理。葉片和輪轂采用活動聯(lián)接方式，為了快速裝卸，不同型號的風機采用統(tǒng)一結構的輪轂，只更換葉片的型號，以滿足風機葉輪互換的要求。

3.3 運用TRIZ理論進行機械設計增加學生的自主學習能力和創(chuàng)新實驗能力

例如，要學生運用TRIZ理論設計螺絲刀，要求：省力、快速。學生在設計時首先是對此設計項目的特性進行分析，在TRIZ理論中39個標準參數(shù)中尋找適合的描述，如“#25時間損失”、“#33 可操作性”改善設計的特性，之后根據(jù)對于“#33 可操作性”的創(chuàng)新原理：分隔、反向、分離、動態(tài)化、維數(shù)變化、等勢性等，根據(jù)40個原理中的運用設計出多種創(chuàng)新型的螺絲刀。

通過這樣的理論實踐教學，學生自己通過查閱文獻和調(diào)研，找尋具體的實驗方法，在通過和老師或同學的討論得出具體的實施方案和實驗步驟，再結合TRIZ理論中的豐富資源、創(chuàng)新解法和工具實施設計實驗。經(jīng)過這樣的教學過程使學生的獨立思考能力得到了鍛煉，同時增加了其團隊協(xié)作意識，更重要的是提升了學生的創(chuàng)新能力和實踐能力。

4 結束語

創(chuàng)新是一個民族發(fā)展的命脈，而TRIZ理論是一種最為先進的創(chuàng)新型理論，在機械設計課程中開展TRIZ理論，即是把創(chuàng)新原理和沖突解決原理在教學過程中得以應用。它能打破原有的思維模式，用新的視覺來分析問題，進行邏輯性和非邏輯結合的系統(tǒng)思維。學生通過對TRIZ理論的原理和解決問題的具體方法的掌握和運用，克服慣性思維，提高主動學習的積極性。同時，TRIZ理論教學還能開闊學生的思路，激發(fā)學生的創(chuàng)新熱情和創(chuàng)新潛能，再通過TRIZ理論中的實踐教學，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力和實踐能力，最終實現(xiàn)在教學中培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的目的。