基于TRIZ的油氣儲運(yùn)工程專業(yè)學(xué)生創(chuàng)新與實(shí)踐能力培養(yǎng)

畢海勝，李慧瑤，郭建章，卜秋祥，戴 萍，夏豐金，王海霞

(青島科技大學(xué)，山東 青島 266061)

創(chuàng)新是一個民族、一個國家強(qiáng)大的不竭動力，科技的進(jìn)步和知識的創(chuàng)新愈加決定國家的發(fā)展進(jìn)程。而當(dāng)今大學(xué)生是富有智慧的一體，是有創(chuàng)造力的一代，是未來創(chuàng)新的主力軍。為貫徹國務(wù)院《關(guān)于強(qiáng)化實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略進(jìn)一步推進(jìn)大眾創(chuàng)業(yè)萬眾創(chuàng)新深入發(fā)展的意見》，培養(yǎng)適應(yīng)創(chuàng)新型國家建設(shè)需要的高水平創(chuàng)新人才，為國家《中長期油氣管網(wǎng)規(guī)劃(2016-2030)》的實(shí)施輸送合格創(chuàng)新型應(yīng)用人才，青島科技大學(xué)油氣儲運(yùn)工程專業(yè)一直以來非常重視學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，不斷改革人才培養(yǎng)模式，修訂人才培養(yǎng)方案，強(qiáng)化創(chuàng)新能力訓(xùn)練。從2015級開始，就在本科生班級中成立科技創(chuàng)新小組，鼓勵參加各類科技創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽，在不同年級之間形成良好的“傳、幫、帶”的科技創(chuàng)新氛圍。在本科人才培養(yǎng)方案中增設(shè)創(chuàng)新實(shí)踐學(xué)分，特別是2018年新開設(shè)了基于TRIZ的《創(chuàng)新方法與創(chuàng)新設(shè)計》課程，進(jìn)一步增強(qiáng)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力和動力，尤其對學(xué)生自主創(chuàng)新能力的提高起到至關(guān)重要的作用。本文針對TRIZ創(chuàng)新方法以及學(xué)生創(chuàng)新作品進(jìn)行分析與思考，對TRIZ這種創(chuàng)新課程進(jìn)行了有益的探索和大膽的嘗試。

1 TRIZ的基本概念及發(fā)展

TRIZ是前蘇聯(lián)偉大發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒(G. S. Altshuller)，自1946年開始，在研究世界各國大量高水平專利的基礎(chǔ)上，提出的具有完整性的發(fā)明問題解決理論，是拉丁文Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch的詞頭縮寫，其意義為發(fā)明問題解決理論。20世紀(jì)80年代中后期，TRIZ理論逐步傳播世界，在創(chuàng)新領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的革命性的影響[1]。

1.1 TRIZ基本原理

TRIZ將工程中的問題統(tǒng)一歸為兩類：通常問題與發(fā)明問題。通常問題其解是已存在的，可以從專業(yè)書籍或領(lǐng)域?qū)＜耀@得問題的解；而發(fā)明問題一般含有相互矛盾的需求或者存在“沖突”。G. S. Altshuller認(rèn)為，解決發(fā)明問題的基本原理是客觀存在的，這些客觀存在可以被整理而形成一套理論，掌握該理論不僅可以提高創(chuàng)新成功率、縮短發(fā)明周期，而且可使發(fā)明問題的解具有可預(yù)見性[2-3]。創(chuàng)新的關(guān)鍵是解決發(fā)明問題，創(chuàng)新的實(shí)質(zhì)就是在解決問題過程中克服“沖突”。TRIZ是創(chuàng)新方法進(jìn)化到高級階段的產(chǎn)物，運(yùn)用TRIZ解決發(fā)明問題也加速了創(chuàng)新的過程。

1.2 通用工程參數(shù)

技術(shù)沖突是普遍存在的，影響沖突的工程參數(shù)也是多樣化的，為了簡明的表達(dá)沖突，采用一種通用化、標(biāo)準(zhǔn)化的方法來描述技術(shù)沖突。因此，TRIZ理論提出39個通用工程參數(shù)描述沖突。對于實(shí)際的問題，首先提煉出一組或多組沖突，即創(chuàng)新問題，然后把組成沖突的雙方內(nèi)部性能采用39個參數(shù)來表示，把實(shí)際工程設(shè)計中的沖突轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)沖突，見表1。

表1 通用工程參數(shù)

表1(續(xù))

圖1 TRIZ橋簡圖

39個通用工程參數(shù)是連接具體問題與TRIZ的橋梁。借助于39個通用技術(shù)參數(shù)，可以將一個具體問題轉(zhuǎn)化并表達(dá)為標(biāo)準(zhǔn)的TRIZ問題，如圖1所示。

1.3 發(fā)明原理

TRIZ理論指出，在以往不同領(lǐng)域的發(fā)明創(chuàng)新中所用到的規(guī)則并不多，無論是不同時代的發(fā)明，還是不同領(lǐng)域的發(fā)明，這些規(guī)則被反復(fù)采用。每條規(guī)則并不局限于僅能用于某一領(lǐng)域，它是融合了各工程領(lǐng)域的原理，適用于不同領(lǐng)域的發(fā)明與創(chuàng)新。TRIZ實(shí)踐證明的40條發(fā)明原理如表2，每條發(fā)明原理通常包含若干個子原理，它們往往形成一個原理鏈，后一條子原理是前一個子原理的發(fā)展[4]。

表2 發(fā)明原理

1.4 沖突矩陣

將描述技術(shù)沖突的39個工程參數(shù)與40條發(fā)明原理建立對應(yīng)關(guān)系，即沖突矩陣。沖突矩陣為40×40的一個矩陣，其中第1行或第1列為順序列出39個描述沖突的工程參數(shù)的序號，其余39×39形成一個作用矩陣，矩陣元素或空白或有幾個數(shù)字，這些數(shù)字即為40條發(fā)明原理中推薦采用的原理序號。如圖2所示，矩陣中的行表示沖突中惡化的一方，而列所代表改善的一方。

圖2 沖突矩陣局部圖

2 TRIZ在油氣儲運(yùn)創(chuàng)新的應(yīng)用

學(xué)生對新開設(shè)的基于TRIZ的《創(chuàng)新方法與創(chuàng)新設(shè)計》課程興趣很高，課堂氣氛熱烈。在此之前，學(xué)生普遍認(rèn)為，創(chuàng)新是偶然的，無規(guī)律可循的，大多來自于瞬間的某種靈感；創(chuàng)新只是少數(shù)人能做到的，不是大眾的。課程結(jié)束后，學(xué)生徹底改變了之前狹隘的認(rèn)知，慢慢接受創(chuàng)新是有章可循的，是能找到相對捷徑的，打破思維慣性，可以提高創(chuàng)新的效率和成功率。

基于TRIZ的原理，油氣儲運(yùn)工程專業(yè)學(xué)生突破慣性思維，大膽創(chuàng)新，并取得了很好的成效。以學(xué)生設(shè)計出的一種油水分離裝置為例。

國家對含油污水的排放標(biāo)準(zhǔn)提出了嚴(yán)格的要求，2015年4月發(fā)布了GB31570-2015《石油煉制工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》，取代了GB8978-1996《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》，特別保護(hù)地區(qū)執(zhí)行的一級排放標(biāo)準(zhǔn)由5mg/L以下提高至3mg/L以下。傳統(tǒng)的基于重力分離、過濾的含油污水處理裝置已很難滿足要求，急需開發(fā)出新型含油污水處理裝置?；诖耍瑢W(xué)生首先設(shè)計出了一種利用石墨烯海綿作為吸附材料的含油污水處理裝置，如圖3和4所示，主要由分離筒、壓桿、液體分布器及油含量測定儀等組成。

1-壓桿、2-分離筒外筒、3-液體分布器、4-進(jìn)水閥、5-進(jìn)水泵、6-石墨烯填料、7-分離筒內(nèi)筒、7.1-擠壓出油區(qū)域、7.2-進(jìn)水區(qū)域、7.3-控水區(qū)域、7.4-網(wǎng)孔底板、7.5-擋板、8-出水閥、9-出油閥、10-油含量測定儀、11-傳動軸、12-出油接管、13-出水接管

圖3 含油污水分離裝置結(jié)構(gòu)簡圖

1-分離筒內(nèi)筒；2-進(jìn)液管；3-氣壓桿；4-分離筒外筒；5-支架

含油污水分離裝置的工作過程主要分為油吸附過程，控水過程及排油過程。充分利用了新型石墨烯優(yōu)異的親油疏水性能和彈性，并通過擠壓恢復(fù)再生能力，實(shí)現(xiàn)了含油污水的分離。但是存在一個缺點(diǎn)，由于擠壓桿的存在，使裝置結(jié)構(gòu)無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，即在擠壓桿工作時，內(nèi)筒將停止旋轉(zhuǎn)，待擠壓完畢，擠壓桿離開才可以繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，這樣就造成了時間的損失，效率偏低。

學(xué)生基于TRIZ創(chuàng)新方法，針對油水分離器擠壓桿的存在無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)性運(yùn)行，造成時間上損失的問題，通過TRIZ歸結(jié)為1組標(biāo)準(zhǔn)沖突“運(yùn)動物體作用時間”和“時間損失”，其中“運(yùn)動物體作用時間”是指擠壓桿上下運(yùn)動時的作用時間。具體解決方案的過程解析如圖5所示。

圖5 基于TRIZ油水分離裝置的改進(jìn)解決方案

查閱沖突矩陣表得出相對應(yīng)的發(fā)明原理有NO.10:“預(yù)操作”，NO.20:“有效作用的連續(xù)性”，NO.18:“振動”，NO.28:“機(jī)械系統(tǒng)的替代”，經(jīng)分析篩選，可以利用第20條發(fā)明原理“有效作用的連續(xù)性”解決此問題。其內(nèi)涵有兩種：

(1)物體的各個部分同時滿載持續(xù)工作，以提供持續(xù)可靠的性能；

(2)消除空閑和間歇性動作。

由此可以通過消除間歇性動作，即將壓桿的上下間歇性動作取消，通過改變石墨烯海綿的擠壓方式來實(shí)現(xiàn)裝置的連續(xù)性。根據(jù)TRIZ發(fā)明原理第20條“有效作用的連續(xù)性”考慮改變壓桿壓縮石墨烯海綿回收污油的方式。利用偏心輪的原理改變筒的結(jié)構(gòu)，將擋板設(shè)計成具有伸縮性的擋板，通過改變每個筒槽的容積來實(shí)現(xiàn)擠壓石墨烯海綿來回收污油，具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。

1-4控水區(qū)域；5-8-擠壓區(qū)域；9-泵；10-電動機(jī)；11-液體分布器；12-外筒；13-內(nèi)筒

圖6 基于TRIZ的偏心筒油水分離裝置

當(dāng)筒槽轉(zhuǎn)至第5號區(qū)域時出現(xiàn)擠壓效應(yīng)，隨著內(nèi)筒的轉(zhuǎn)動石墨烯海綿進(jìn)一步被壓縮，在圖中所示5號至8號區(qū)域均為擠壓區(qū)域，含油污水在1部分通過液體分布器連續(xù)通入內(nèi)筒，1至4區(qū)域為控水區(qū)域。

與之前的分離筒結(jié)構(gòu)相比，該分離筒去除了擠壓桿，即不利用擠壓桿擠壓石墨烯，而將分離筒用可壓縮性擋板分為8個體積可變的部分，每個部分內(nèi)都裝有同樣大小的石墨烯海綿，在偏心輪的作用下，使吸收了含油污水的石墨烯海綿在旋轉(zhuǎn)過程中被壓縮，達(dá)到油水分離的目的。

3 TRIZ對學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的深入探索與思考

國家建立了“大眾創(chuàng)業(yè)、萬眾創(chuàng)新”的“雙創(chuàng)”政策庫，對新形勢下高等學(xué)校畢業(yè)生的自主創(chuàng)新能力提出了更高的要求。深化高校創(chuàng)新教育改革，是國家實(shí)施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)提質(zhì)增效升級的迫切需要，是推進(jìn)高等教育綜合改革、促進(jìn)高校畢業(yè)生更高質(zhì)量創(chuàng)業(yè)就業(yè)的重要舉措。近年來，高校雙創(chuàng)教育不斷加強(qiáng)，對促進(jìn)學(xué)生全面發(fā)展、推動畢業(yè)生創(chuàng)業(yè)就業(yè)、服務(wù)國家現(xiàn)代化建設(shè)發(fā)揮了重要作用?；赥RIZ的創(chuàng)新理論，正是適應(yīng)了新形勢下國家對高?！半p創(chuàng)”教育改革的迫切需求。特別是對于油氣儲運(yùn)工程這種特色交叉學(xué)科，學(xué)生具備寬厚的專業(yè)基礎(chǔ)和較大的創(chuàng)新潛能，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、創(chuàng)新能力和創(chuàng)業(yè)意識是創(chuàng)新教育改革的總體目標(biāo)，當(dāng)前，實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的任務(wù)艱巨而緊迫。為此，基于TRIZ提出學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的幾點(diǎn)探索與思考：

3.1 加強(qiáng)教師創(chuàng)新教育教學(xué)能力建設(shè)

“以學(xué)生為中心”是工程教育專業(yè)認(rèn)證的核心理念，而學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)仍需要教師的全面引導(dǎo)。青島科技大學(xué)油氣儲運(yùn)工程系非常注重教師創(chuàng)新教育教學(xué)能力建設(shè)。目前已有3名教師參加國家技術(shù)創(chuàng)新方法與實(shí)施工具工程技術(shù)研究中心創(chuàng)新培訓(xùn)班[5]，并獲得師資培訓(xùn)證書，其中1名老師獲得TRIZ國際二級證書。相繼承擔(dān)了機(jī)電工程學(xué)院油氣儲運(yùn)工程、能源與動力工程、過程裝備與控制工程等專業(yè)《創(chuàng)新方法與創(chuàng)新設(shè)計》課程的講授。

3.2 創(chuàng)新人才培養(yǎng)機(jī)制

明確把創(chuàng)新精神、創(chuàng)業(yè)意識和創(chuàng)新能力作為評價人才培養(yǎng)質(zhì)量的重要指標(biāo)，并適時修訂人才培養(yǎng)方案。開設(shè)跨學(xué)科專業(yè)的交叉課程，探索建立跨學(xué)科、跨專業(yè)交叉培養(yǎng)創(chuàng)新人才的新機(jī)制，促進(jìn)油氣儲運(yùn)工程專業(yè)人才培養(yǎng)由學(xué)科專業(yè)單一型向多學(xué)科融合型轉(zhuǎn)變。新開設(shè)的《創(chuàng)新實(shí)踐》課程與機(jī)械工程專業(yè)交叉，增設(shè)的《創(chuàng)新方法與創(chuàng)新設(shè)計》課程與過程裝備與控制工程等專業(yè)融合，取得了良好的效果。此外，積極探索校企協(xié)同育人新機(jī)制，將TRIZ理論服務(wù)企業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新和提高學(xué)生創(chuàng)新能力無縫對接起來，探索建立需求導(dǎo)向型人才培養(yǎng)類型結(jié)構(gòu)調(diào)整新機(jī)制。

3.3 探索改革教學(xué)方法和考核方式

注重啟發(fā)式、討論式、參與式教學(xué)，培養(yǎng)學(xué)生的批判性和創(chuàng)造性思維。改革考試考核方式，不再采用傳統(tǒng)的試卷考試，而是通過將學(xué)生分組，組內(nèi)分工協(xié)作、共同討論完成一個創(chuàng)新作品。同時加強(qiáng)過程考核，大幅度提高過程考核成績在課程總成績中的比重。特別強(qiáng)調(diào)團(tuán)隊協(xié)作，共同參與，一定程度上也提高了團(tuán)隊協(xié)作能力。

3.4 探索創(chuàng)新學(xué)分轉(zhuǎn)換機(jī)制

設(shè)置創(chuàng)新學(xué)分，建立創(chuàng)新學(xué)分積累與轉(zhuǎn)換制度。例如，學(xué)生參加各類科技創(chuàng)新大賽獲獎、TRIZ創(chuàng)新方法大賽、獲得專利、發(fā)表論文等，可以折算為學(xué)分。探索設(shè)立創(chuàng)新獎學(xué)金，科技創(chuàng)新保研機(jī)制等，鼓勵并優(yōu)先支持有意愿有潛質(zhì)的學(xué)生大膽創(chuàng)新。使萬眾創(chuàng)新逐步落實(shí)到每一位大學(xué)生，也使當(dāng)今大學(xué)生成為國家萬眾創(chuàng)新的中堅力量。