基于TRIZ理論的自動(dòng)化制造系統(tǒng)課程教學(xué)法

張 煒，彭晉民，陳丙三，張 寧

(福建工程學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院，福建福州，350118)

一、前言

在新工科教育的大背景下，機(jī)械工程學(xué)科教育重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)具有跨界整合能力、創(chuàng)新綜合能力、應(yīng)用實(shí)踐能力及全球視野的新型多層次復(fù)合型工科人才。同時(shí)，機(jī)械制造是機(jī)械工程學(xué)科的重要組成部分，“中國(guó)制造2025”理念的提出標(biāo)志著制造業(yè)這一國(guó)民經(jīng)濟(jì)的主體需要注入更為強(qiáng)大的力量。因此，自動(dòng)化制造系統(tǒng)這門機(jī)械制造方向的專業(yè)課程對(duì)培養(yǎng)學(xué)生綜合素質(zhì)的重要性日益突顯。

自動(dòng)化制造系統(tǒng)作為機(jī)械領(lǐng)域的一門重要的綜合性專業(yè)課程，其知識(shí)體系與先進(jìn)制造技術(shù)緊密結(jié)合。該課程概念性知識(shí)較多、知識(shí)點(diǎn)抽象，與實(shí)際工程、產(chǎn)品聯(lián)系較為緊密。該課程常規(guī)的授課模式存在著學(xué)生接受程度較低，難以將理論與實(shí)際聯(lián)系起來，創(chuàng)新、開放性思維較為局限，學(xué)生所學(xué)知識(shí)點(diǎn)難以融會(huì)貫通等問題。這種教學(xué)模式不利于專業(yè)知識(shí)內(nèi)容與實(shí)際系統(tǒng)、產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)的結(jié)合。

針對(duì)上述問題，學(xué)校應(yīng)采用有效的手段對(duì)教師的授課方式進(jìn)行創(chuàng)新改革，將抽象知識(shí)具體化，以更好地與實(shí)際相結(jié)合，進(jìn)一步提升自動(dòng)化制造系統(tǒng)的教學(xué)質(zhì)量，提高學(xué)生培養(yǎng)水平，進(jìn)而切實(shí)推進(jìn)新型多層次復(fù)合型工科人才的培養(yǎng)建設(shè)。

近年來，TRIZ(發(fā)明問題解決理論)逐漸進(jìn)入廣大教師、學(xué)者的視野。TRIZ理論是形成創(chuàng)造性思維和處理發(fā)明問題的分析方法，其亦可視為創(chuàng)新性人才高效、精準(zhǔn)培養(yǎng)的理論基礎(chǔ)。目前，TRIZ理論已經(jīng)在機(jī)械領(lǐng)域本科教學(xué)中逐漸得到推廣和應(yīng)用。[1]

楊子江等[2]將TRIZ理論引入機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，通過TRIZ理論構(gòu)建創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)課程評(píng)價(jià)體系，并運(yùn)用TRIZ理論鼓勵(lì)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行自主探索、創(chuàng)新，將TRIZ理論引入實(shí)驗(yàn)設(shè)備日常管理中，從而進(jìn)一步完善機(jī)械基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課程創(chuàng)新改革優(yōu)化思路。鄧援超等[3]將TRIZ理論引入機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程教學(xué)中，通過將相應(yīng)技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則、最終理想解求解法則等與實(shí)際課程教學(xué)案例結(jié)合起來的方式，進(jìn)一步解決該課程傳統(tǒng)教學(xué)中存在的學(xué)生死記硬背概念、思維不開放的問題。王曉娟等[4]將TRIZ理論引入機(jī)械制圖教學(xué)法的探索中，針對(duì)機(jī)械制造教學(xué)中較為關(guān)鍵的空間問題，通過TRIZ理論，采用九屏幕法進(jìn)行解決，從具體屏幕系統(tǒng)出發(fā)，找到其舊系統(tǒng)及未來推演系統(tǒng)，進(jìn)而明晰各個(gè)子系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)性，從而對(duì)原有系統(tǒng)進(jìn)行全面分析改進(jìn)，進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生的機(jī)械制圖空間思維能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。Jiang等[5]將TRIZ理論引入CDIO機(jī)械理論教學(xué)中，探索出了基于TRIZ理論的機(jī)械工程教育優(yōu)化方法，采用進(jìn)化方法數(shù)學(xué)描述工具，同時(shí)利用矛盾—沖突分析法等，通過VC++代碼程序?qū)逃齼?yōu)化方法進(jìn)行數(shù)學(xué)建模求解，從機(jī)械原理知識(shí)點(diǎn)優(yōu)化、教學(xué)過程優(yōu)化、學(xué)生通過TRIZ工具解決項(xiàng)目中的問題三個(gè)方面對(duì)CDIO機(jī)械理論教學(xué)中的問題實(shí)例進(jìn)行研究。Liu[6]將TRIZ理論應(yīng)用在實(shí)際機(jī)械產(chǎn)品零件的設(shè)計(jì)制造過程中，通過矛盾求解矩陣、分離整合原理、物—場(chǎng)分析技術(shù)等結(jié)合具體的機(jī)械工具扳手研發(fā)實(shí)例，創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)相關(guān)機(jī)械工具的改良，為機(jī)械領(lǐng)域相關(guān)課程的教學(xué)提供有效的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)及推廣方法。

綜上所述，目前，TRIZ理論的應(yīng)用主要集中在機(jī)械領(lǐng)域某些課程中，如機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程、工程制圖課程。自動(dòng)化制造系統(tǒng)課程相比于其他機(jī)械類課程概念性知識(shí)較多，知識(shí)點(diǎn)抽象，與實(shí)際工程、產(chǎn)品聯(lián)系較為緊密，更偏向于實(shí)際應(yīng)用。當(dāng)前，TRIZ理論與自動(dòng)化制造系統(tǒng)課程教學(xué)結(jié)合的研究較少。TRIZ理論與自動(dòng)化制造系統(tǒng)課程的教學(xué)結(jié)合，有望進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)課程中復(fù)雜、抽象概念的具體化，提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的接受程度和創(chuàng)新性思維水平，增強(qiáng)學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用能力，從而進(jìn)一步優(yōu)化融合創(chuàng)新思維理論的自動(dòng)化制造系統(tǒng)課程教學(xué)法。

本研究首先明晰TRIZ理論的基本原理、方法，然后進(jìn)一步剖析自動(dòng)化制造系統(tǒng)課程的特點(diǎn)，最后結(jié)合TRIZ理論中的具體內(nèi)容，將TRIZ理論引入自動(dòng)化制造系統(tǒng)課程的實(shí)際教學(xué)中，從而初步形成一套啟發(fā)學(xué)生主動(dòng)思維、融概念知識(shí)與實(shí)際應(yīng)用于一體的教學(xué)模式，為該課程教學(xué)模式的改革及TRIZ理論的應(yīng)用推廣打下良好基礎(chǔ)。

二、TRIZ理論及關(guān)鍵方法介紹

TRIZ理論的中文解釋為“發(fā)明問題解決理論”，其最早由蘇聯(lián)發(fā)明學(xué)家阿奇舒勒創(chuàng)立。該方法主要從具體專利實(shí)例中汲取相關(guān)創(chuàng)新知識(shí)，并將對(duì)應(yīng)知識(shí)總結(jié)、歸納為系統(tǒng)解決、處理技術(shù)或發(fā)明的手段。[7]目前，TRIZ理論已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)代系統(tǒng)中處理、解決問題以及進(jìn)行創(chuàng)新活動(dòng)時(shí)廣泛采用的技術(shù)方法。

本課程教學(xué)法改革中具體采用TRIZ理論中的以下三個(gè)重要技術(shù)：

TRIZ理論通過大量專利的技術(shù)分析，從中提取最為關(guān)鍵的40個(gè)發(fā)明原理，并將對(duì)應(yīng)發(fā)明原理整合成為矩陣[8]，從而為實(shí)際處理問題提供強(qiáng)有力的手段。在解決實(shí)際問題的過程中，操作者可將單獨(dú)或部分發(fā)明原理進(jìn)行分解、整合使用，將實(shí)際問題通過效應(yīng)相同的原理進(jìn)行等效替代，從而將40個(gè)發(fā)明原理廣泛地應(yīng)用在處理各類型實(shí)際問題的過程中。

TRIZ理論中的矛盾—沖突分析方法主要針對(duì)事物、系統(tǒng)的多面性提出[9]，將事物沖突分為管理沖突、技術(shù)沖突、物理沖突三個(gè)層面，對(duì)相應(yīng)的問題進(jìn)行定性、定量的性能方面的描述、求解。針對(duì)技術(shù)沖突，可結(jié)合39個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)，進(jìn)一步分析求解其具體矛盾，從而獲取相應(yīng)解。針對(duì)物理沖突，該理論首先從系統(tǒng)內(nèi)子系統(tǒng)有害功能降低導(dǎo)致有用功能降低以及子系統(tǒng)中有用功能增強(qiáng)導(dǎo)致有害功能增強(qiáng)兩個(gè)角度對(duì)其進(jìn)行描述，進(jìn)而區(qū)分物理沖突，從而進(jìn)行綜合考慮求解。

物—場(chǎng)分析模型[10]是TRIZ理論中的關(guān)鍵系統(tǒng)性分析工具，物—場(chǎng)分析模型可以進(jìn)一步明晰系統(tǒng)內(nèi)各個(gè)元素之間的相互聯(lián)系、作用，具體將系統(tǒng)所有功能分為三個(gè)基本元素，即兩個(gè)物質(zhì)、一個(gè)作用或效應(yīng)、兩物質(zhì)間的聯(lián)系，而任意存在功能必定由這三個(gè)基本元素構(gòu)成，因此，可以將這三個(gè)基本元素有機(jī)結(jié)合成為一個(gè)功能，即構(gòu)造對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)場(chǎng)—物分析模型。

三、自動(dòng)化制造系統(tǒng)課程特點(diǎn)

自動(dòng)化制造系統(tǒng)課程主要具有如下特點(diǎn)：

第一，知識(shí)抽象、零散，內(nèi)容廣。自動(dòng)化制造系統(tǒng)課程包含較多概念性知識(shí)，并且對(duì)應(yīng)知識(shí)點(diǎn)較為零散、抽象，學(xué)生難以理解。該課程包括自動(dòng)化制造系統(tǒng)的定義、發(fā)展及評(píng)價(jià)方式，自動(dòng)化制造系統(tǒng)人機(jī)一體化設(shè)計(jì)的概念、過程及人機(jī)工程評(píng)價(jià)，自動(dòng)化制造系統(tǒng)中的各組成部分，即自動(dòng)化加工設(shè)備系統(tǒng)、工件儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)、刀具準(zhǔn)備及儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)等各分系統(tǒng)的特點(diǎn)、選型等。

第二，應(yīng)用性強(qiáng)。課程具有應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，學(xué)生通常缺乏主動(dòng)、創(chuàng)造性地開展相應(yīng)課程中案例分析及實(shí)際應(yīng)用的能力。例如，學(xué)生一般缺乏針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)線的生產(chǎn)批量、產(chǎn)品類型進(jìn)行自動(dòng)化制造系統(tǒng)類型選取的能力，針對(duì)企業(yè)所提出的工件輸送效率和需求進(jìn)行工件儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)傳輸裝置形式、技術(shù)參數(shù)、布局形式等綜合選取的能力也較弱。

第三，與實(shí)際結(jié)合緊密。課程理論知識(shí)具有與實(shí)際產(chǎn)品、設(shè)備以及系統(tǒng)聯(lián)系緊密的特點(diǎn)，而學(xué)生通常缺乏相關(guān)知識(shí)儲(chǔ)備背景，難以具備對(duì)對(duì)應(yīng)事物的感性認(rèn)識(shí)，進(jìn)而較難理解具體的產(chǎn)品、設(shè)備以及系統(tǒng)的類型、特點(diǎn)。例如，涉及懸掛式輸送機(jī)這一物料存儲(chǔ)運(yùn)輸系統(tǒng)中使用的輸送設(shè)備，多數(shù)學(xué)生無對(duì)該設(shè)備產(chǎn)品的感性認(rèn)識(shí)。再如，涉及機(jī)械手、機(jī)器人設(shè)備在自動(dòng)裝配系統(tǒng)中發(fā)揮相應(yīng)功用，因?qū)W生較少實(shí)際接觸到對(duì)應(yīng)機(jī)械手、機(jī)器人設(shè)備，所以難以具備完備認(rèn)識(shí)。

四、TRIZ理論與自動(dòng)化制造系統(tǒng)課程結(jié)合的教學(xué)模式

針對(duì)上述自動(dòng)化制造系統(tǒng)課程的特點(diǎn)，教育者可將TRIZ理論引入自動(dòng)化制造系統(tǒng)的實(shí)際授課過程中，從而形成基于TRIZ理論的自動(dòng)化制造系統(tǒng)創(chuàng)新型課程教學(xué)模式，具體結(jié)合方式如下：

(一)40個(gè)發(fā)明原理與自動(dòng)化制造系統(tǒng)課程教學(xué)結(jié)合

教育者可通過TRIZ理論中的40個(gè)發(fā)明原理與該課程概念性知識(shí)點(diǎn)相結(jié)合的方式，進(jìn)一步啟發(fā)學(xué)生的發(fā)散思維，從一個(gè)知識(shí)點(diǎn)發(fā)散出其他知識(shí)點(diǎn)，并讓各個(gè)知識(shí)點(diǎn)之間關(guān)聯(lián)起來，進(jìn)而較好地解決由于該課程知識(shí)點(diǎn)離散、抽象而導(dǎo)致的學(xué)生接受程度較低的問題。

例如，教育者可采用40個(gè)發(fā)明理論中分割和合并/組合的思想，分割自動(dòng)化制造系統(tǒng)的組成概念，具體劃分為工件儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)、刀具準(zhǔn)備及儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)等，同時(shí)，可將自動(dòng)化制造系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行合并/組合，形成對(duì)應(yīng)的自動(dòng)化制造系統(tǒng)的總體概念。

教育者可采用40個(gè)發(fā)明理論中的通用/普遍性與反向組合的思想。自動(dòng)化制造系統(tǒng)中的柔性制造系統(tǒng)、柔性制造線以及柔性制造單元的組成具有通用/普遍性，可進(jìn)行連鎖分析記憶。教育者反觀柔性制造系統(tǒng)的生產(chǎn)模式和生產(chǎn)批量的特點(diǎn)，可推演出剛性制造系統(tǒng)的生產(chǎn)模式和生產(chǎn)批量的特點(diǎn)。

(二)矛盾—沖突分析與自動(dòng)化制造系統(tǒng)課程教學(xué)結(jié)合

教育者可通過矛盾—沖突分析的方式，進(jìn)一步加強(qiáng)課程理論知識(shí)與實(shí)際機(jī)械產(chǎn)品系統(tǒng)間的聯(lián)系，即教育者通過課程內(nèi)理論知識(shí)內(nèi)在的矛盾—沖突，結(jié)合39個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)，引發(fā)學(xué)生對(duì)實(shí)際產(chǎn)品、設(shè)備及系統(tǒng)的思考。

例如，在自動(dòng)化裝配系統(tǒng)中機(jī)器人的實(shí)際作業(yè)過程中，理論上會(huì)追求其自由度盡可能高，運(yùn)動(dòng)速度盡可能快，從而獲取較高的裝配靈活性和裝配效率。而在實(shí)際生產(chǎn)中，若一味地提高機(jī)器人的自由度和運(yùn)動(dòng)速度，將造成控制難度過大、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性差的問題，則兩者之間構(gòu)成相應(yīng)的矛盾—沖突，具體涉及39個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)中的適用性或多用性以及速度，學(xué)生需要權(quán)衡選取合理適中的機(jī)器人自由度和運(yùn)動(dòng)速度。

在自動(dòng)化制造系統(tǒng)的人機(jī)一體化設(shè)計(jì)中，理論上需要提高其系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，從而進(jìn)一步提高其實(shí)際生產(chǎn)效率，但通過結(jié)合39個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)中的自動(dòng)化程度、生產(chǎn)率及可制造性發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際人機(jī)一體化自動(dòng)化制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)建立過程中，其自動(dòng)化程度、生產(chǎn)率相互影響，而這兩者與可制造性構(gòu)成相應(yīng)的矛盾—沖突，即自動(dòng)化程度、生產(chǎn)率越高，相應(yīng)的可制造性整體越差。

(三)物—場(chǎng)分析模型與自動(dòng)化制造系統(tǒng)課程教學(xué)結(jié)合

教育者將TRIZ理論中的物—場(chǎng)分析模型應(yīng)用到實(shí)際授課過程中，可進(jìn)一步分析自動(dòng)化各個(gè)分系統(tǒng)等知識(shí)內(nèi)容的兩個(gè)元素物質(zhì)S1、S2和場(chǎng)F，進(jìn)而明晰其總體功能，這樣可以更好地體現(xiàn)相關(guān)內(nèi)容的應(yīng)用性，引發(fā)學(xué)生針對(duì)對(duì)應(yīng)知識(shí)的應(yīng)用及案例的思考。

例如，針對(duì)自動(dòng)化制造系統(tǒng)中的系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析環(huán)節(jié)，整體經(jīng)濟(jì)性分析功能構(gòu)成的物質(zhì)S1和S2分別為加工設(shè)備和經(jīng)濟(jì)性，而缺失實(shí)際作用場(chǎng)F，從而構(gòu)成不完整模型。教育者可通過上述啟發(fā)式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生采用物—場(chǎng)分析模型中補(bǔ)全缺失元素的方式，使模型完整，從而啟迪學(xué)生對(duì)應(yīng)用和實(shí)例的思考。具體可采用補(bǔ)足場(chǎng)F生成率的方式，即通過考慮加工設(shè)備中的生產(chǎn)率效應(yīng)，進(jìn)而綜合考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

針對(duì)自動(dòng)化制造系統(tǒng)中的輥?zhàn)虞斔蛶л斔土闵⑽锪线@一實(shí)例，實(shí)現(xiàn)其輥?zhàn)虞斔凸δ艿膬蓚€(gè)物質(zhì)S1和S2分別為輥?zhàn)虞斔蛶Ш土闵⑽锪?，?duì)應(yīng)場(chǎng)F為機(jī)械場(chǎng)，其模型的完整性是合理的，但其中對(duì)應(yīng)S1和S2之間的交互效應(yīng)實(shí)際是有害的，輥?zhàn)虞斔蛶o法完成對(duì)應(yīng)零散物料的傳輸。因此，教育者可采用針對(duì)有害效應(yīng)完整模型的解法，引入第三種物質(zhì)S3——托盤，阻止有害效應(yīng)，即采用將零散物料放置于托盤上的方式，讓輥?zhàn)虞斔蜋C(jī)在機(jī)械場(chǎng)驅(qū)動(dòng)作用下完成零散物料的輸送過程。

五、總結(jié)

本文通過分析機(jī)械領(lǐng)域?qū)I(yè)課程——自動(dòng)化制造系統(tǒng)的特點(diǎn)，結(jié)合TRIZ理論的關(guān)鍵方法，將TRIZ理論創(chuàng)新性地引入該課程的教學(xué)環(huán)節(jié)當(dāng)中。研究具體采用40個(gè)發(fā)明原理、矛盾—沖突分析方式及物—場(chǎng)分析模型等TRIZ理論中的重要技術(shù)方法作為手段工具，進(jìn)一步挖掘課程教學(xué)過程中實(shí)例的生動(dòng)性、學(xué)生思維的啟發(fā)性、抽象知識(shí)點(diǎn)的具體性，從而為推進(jìn)該課程的教學(xué)方式改革提供經(jīng)驗(yàn)。