基于TRIZ理論的高校物理演示模擬研發(fā)改進(jìn)的想法

于娜 王林杰 劉雪華

摘?要：以往的演示儀器的制作和改進(jìn)沒有方法論上的依據(jù)，研發(fā)行為較為隨機(jī)，儀器功能單一，研發(fā)效率不高。引入TRIZ理論后，可對(duì)改進(jìn)、研發(fā)演示儀器的行為進(jìn)行指導(dǎo)，幫助快速指出矛盾，縮短時(shí)間。

關(guān)鍵詞：大學(xué)物理;演示儀器制作;TRIZ理論

物理學(xué)是從實(shí)驗(yàn)中提取規(guī)律的學(xué)科，對(duì)今天和未來的科技發(fā)展都有緊密的聯(lián)系和影響。從我國航天事業(yè)的發(fā)展，到量子芯片的研發(fā);從北斗系統(tǒng)的建立，到微創(chuàng)手術(shù)的實(shí)施，都離不開物理作為基礎(chǔ)的作用。在學(xué)習(xí)物理知識(shí)時(shí)，若能直接觀察現(xiàn)實(shí)模擬，有助于學(xué)生加深對(duì)知識(shí)的理解，體會(huì)其中蘊(yùn)含的物理學(xué)方法。制造能簡潔的展示物理規(guī)律的演示儀器就很有必要。

由阿奇舒勒創(chuàng)立的TRIZ理論，是發(fā)明問題的解決理論，也可叫做創(chuàng)新理論[3]。利用TRIZ理論指導(dǎo)演示實(shí)驗(yàn)儀器的創(chuàng)新制作，能有效的提升知識(shí)轉(zhuǎn)化可視現(xiàn)象的效率。

1 目前物理知識(shí)轉(zhuǎn)化演示儀器遇到的困難

從調(diào)研中可知，為了加強(qiáng)學(xué)習(xí)效果，有的院校構(gòu)建立體式學(xué)習(xí)環(huán)境，建立了演示實(shí)驗(yàn)中心（以北京交通大學(xué)為例）、演示走廊（以北京航空航天大學(xué)為例）[1]，還有學(xué)校調(diào)整教室結(jié)構(gòu)，方便演示儀器進(jìn)入課堂（以清華大學(xué)為例）?？梢钥闯觯盒?duì)于物理基礎(chǔ)課的重視和為了提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的接受度作出的努力。把理論知識(shí)通過演示儀器表現(xiàn)出來，成了教師們的熱點(diǎn)問題。以往的演示儀器制作一般只考慮物理原理如何展現(xiàn)，一臺(tái)演示儀器針對(duì)一種物理規(guī)律，儀器的制作和改進(jìn)沒有方法論上的依據(jù)，研發(fā)行為較隨機(jī)，儀器功能單一，研發(fā)效率不高[3]。

2 TRIZ理論能解決的問題和創(chuàng)新原理

20世紀(jì)50年代起，阿奇舒勒帶領(lǐng)TRIZ理論研究團(tuán)隊(duì)通過分析近250萬份高水平發(fā)明專利，提出了發(fā)明創(chuàng)造的原理及規(guī)律[2]。運(yùn)用該理論，能準(zhǔn)確確定問題探索方向，突破思維障礙，以新的視角分析問題，能使發(fā)明創(chuàng)造行為更加科學(xué)化，而不是隨機(jī)行為。TRIZ理論在全世界廣泛應(yīng)用，創(chuàng)造出大量重大發(fā)明，幫助企業(yè)改進(jìn)技術(shù)，減少研發(fā)經(jīng)費(fèi)，縮短研發(fā)時(shí)間，從而獲得了重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。TRIZ理論通過對(duì)問題情境進(jìn)行系統(tǒng)分析，快速發(fā)現(xiàn)問題本質(zhì)，對(duì)創(chuàng)新性問題提供更合理的解決方案和解決辦法。TRIZ理論的基本措施目前總結(jié)為40條創(chuàng)新原理，在社會(huì)學(xué)、建筑、生物學(xué)、醫(yī)療、商業(yè)、工業(yè)、教育等領(lǐng)域都有指導(dǎo)作用。

3 利用TRIZ理論解決問題實(shí)例

3.1 基于拆出原則改進(jìn)茹可夫斯基凳

拆出原則是指從物體中拆出“干擾”部分或相反，分出唯一需要的部分[2]。剛體的定軸（z軸）轉(zhuǎn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)系角動(dòng)量守恒定律，當(dāng)軸力矩Mz=dLzdt=dJzωdt=0時(shí)，軸角動(dòng)量Lz=Jzω是常量，角動(dòng)量守恒。其中Jz為軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ω為剛體繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)角速度。此規(guī)律在生活中較為常見，例如宇航員在失重狀態(tài)下懸空，以自身為軸的力矩為零，對(duì)軸角動(dòng)量守恒。若宇航員要向左轉(zhuǎn)，需要用一只腳向右旋轉(zhuǎn)，身體由于角動(dòng)量守恒，會(huì)向左旋轉(zhuǎn)。演示此規(guī)律的常規(guī)演示儀器是茹可夫斯基凳，一張可繞中央軸左右隨意旋轉(zhuǎn)的摩擦力很小的椅子，實(shí)驗(yàn)者坐于其上，手持水平輪子的軸承，可近似認(rèn)為重力軸上力矩為零，軸角動(dòng)量守恒。當(dāng)輪子向右轉(zhuǎn)，實(shí)驗(yàn)者身體向左轉(zhuǎn)。此儀器的缺點(diǎn)一是較大較重，不好攜帶，二是實(shí)驗(yàn)者坐的姿勢(shì)、位置若偏離中央軸，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯。根據(jù)TRIZ理論分析了茹科夫斯基凳的“有效”部分為摩擦力很小的旋轉(zhuǎn)部分，將其拆分出來，去掉椅子。所以制作一個(gè)輕質(zhì)材料的可容納兩腳大小的兩層圓站臺(tái)，兩層材料之間用軌道滾珠相連。轉(zhuǎn)臺(tái)中央軸做中空，將手持輪子的軸承卡于其內(nèi)，方便移動(dòng)，解決了問題一。實(shí)驗(yàn)者使用時(shí)直立站立其上，身體不會(huì)偏離中央軸，解決了問題二。

3.2 基于組合原則和多功能原則研發(fā)干涉衍射實(shí)驗(yàn)儀

組合原則指把相同的物體或類似操作的物體組合結(jié)合起來。多功能原則指一個(gè)物體執(zhí)行多種不同功能[2]。在光學(xué)中，楊氏雙縫干涉、單縫衍射和圓孔衍射是要學(xué)習(xí)的基本規(guī)律。通過演示現(xiàn)象可以觀察不同入射波長對(duì)同一孔徑的現(xiàn)象，雙縫干涉中雙縫距離變化對(duì)干涉花樣的影響等一系列規(guī)律。分析這三種光路的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)。相同點(diǎn)：雙縫干涉和單縫衍射光透過孔徑形狀為細(xì)縫;單縫衍射和圓孔衍射都是光通過單一孔徑。不同點(diǎn)：雙縫干涉需要把光分成兩束再相遇干涉;單縫衍射和圓孔衍射，光穿過的孔徑形狀不同?；谝陨戏治?，利用組合原則，把功能具有相同點(diǎn)的可結(jié)合部分結(jié)合。干涉衍射儀基本組成部分如下圖，孔徑卡牌設(shè)有單縫，單孔，寬距雙縫，窄距雙縫和從光源起始光線完全分離雙縫等多種類型。這臺(tái)儀器經(jīng)過卡牌組合可以顯示雙縫干涉、單縫衍射和圓孔衍射。儀器可以演示相同入射波長雙縫干涉受縫間距影響的干涉圖樣變化?；诙喙δ茉瓌t，激光光源設(shè)置雙色光源，內(nèi)置紅色激光和綠色激光。儀器可以演示不同入射波長對(duì)干涉圖樣、衍射圖樣的影響。在講解相干光時(shí)，同時(shí)打開紅光和綠光，使用完全分離雙縫卡牌，會(huì)使一條縫出射紅光，另一條縫出射綠光，不會(huì)形成雙縫干涉圖樣，方便學(xué)生理解。

4 總結(jié)

在TRIZ理論指導(dǎo)下研發(fā)新的演示儀器或改進(jìn)已有的演示儀器，有了方法論上的支持，可以提高研發(fā)的效率，節(jié)約經(jīng)費(fèi)。物理知識(shí)涵蓋范圍廣泛，有的演示儀器即使用TRIZ理論其技術(shù)矛盾也不能解決，還需要進(jìn)一步努力。

參考文獻(xiàn)：

[1]李英姿，陳強(qiáng)，等.關(guān)于物理演示走廊的一些思考和實(shí)踐[J].大學(xué)物理，2001（04）：25-26.

[2]楊清亮.發(fā)明是這樣誕生的：TRIZ理論全接觸[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[3]楊林君，陳建勇.遙控式角動(dòng)量守恒演示儀[J].新校園（上旬），2015（07）：44.

項(xiàng)目：河北省高等教育教學(xué)改革研究與實(shí)踐項(xiàng)目（批準(zhǔn)號(hào)：2018GJJG649）;河北省實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心建設(shè)項(xiàng)目;北京交通大學(xué)海濱學(xué)院優(yōu)秀教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)項(xiàng)目;北京交通大學(xué)海濱學(xué)院教科研項(xiàng)目

*通訊作者：劉雪華（1983-），女，漢族，遼寧遼陽人，碩士研究生，講師，研究方向：等離子體物理。