基于專利分析的創(chuàng)新設(shè)計實踐教學(xué)

成思源， 陳曉菁， 楊雪榮， 趙榮麗， 唐文艷

（廣東工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，廣州510006）

0 引 言

創(chuàng)新教育是大學(xué)生科學(xué)文化素質(zhì)教育的重點，也是“新工科”建設(shè)對人才培養(yǎng)提出的重要要求［1］。2015年國務(wù)院辦公廳頒發(fā)了《關(guān)于深化高等學(xué)校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實施意見》，明確要求高校要樹立先進(jìn)的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育理念，加強創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育，增強學(xué)生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力［2］。作為培養(yǎng)人才的基地，各個高校積極響應(yīng)國家的政策，開辦各類創(chuàng)新教育課程，為國家培養(yǎng)出具有創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的人才。由此，許多高校老師對創(chuàng)新教育進(jìn)行研究，提出了各種教學(xué)模式，如唐力等［3］提出獨立設(shè)課，開展多層次實驗教學(xué)，并構(gòu)建個性化培養(yǎng)平臺，給學(xué)生自主學(xué)習(xí)的空間；沈國鳳［4］提出“構(gòu)建式”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育模式，不僅讓學(xué)生學(xué)習(xí)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)知識，還讓學(xué)生運用到實踐當(dāng)中去。此外，專利文獻(xiàn)涵蓋了全球90%以上的最新技術(shù)情報，具有新穎、實用的特征，將專利運用到創(chuàng)新教育當(dāng)中能訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新思維，激發(fā)創(chuàng)新想象力［5］。趙?，摚?］對大學(xué)生專利教育進(jìn)行研究，強調(diào)專利教育的價值；鄭仁華等［6］提出大學(xué)生應(yīng)懂得利用專利工具保護(hù)自己的創(chuàng)新成果。專利在創(chuàng)新教育中發(fā)揮重要作用，能有效分析專利文獻(xiàn)中的創(chuàng)新技術(shù)，并對專利產(chǎn)品中的技術(shù)缺陷進(jìn)行改進(jìn)，可提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

發(fā)明問題解決理論（TRIZ），是前蘇聯(lián)阿奇舒勒（Altshuller）及其同事在分析了大量專利文獻(xiàn)總結(jié)出的解決發(fā)明問題的理論，它揭示了創(chuàng)造發(fā)明的內(nèi)在規(guī)律和原理，被廣泛地應(yīng)用于創(chuàng)新［7-9］。本文在TRIZ理論指導(dǎo)下，對基于專利分析的創(chuàng)新設(shè)計實踐教學(xué)進(jìn)行了研究與探索，并給出了應(yīng)用的案例。

1 專利分析與創(chuàng)新設(shè)計流程

1.1 專利分析方法——TRIZ

TRIZ理論主要是幫助設(shè)計者解決設(shè)計中如何“做”的問題，使設(shè)計者系統(tǒng)有效地分析問題解決問題［10］。其包含有功能分析、物質(zhì)-場分析和資源分析等問題分析工具，還有解決技術(shù)矛盾的40個發(fā)明原理、解決物理矛盾的分離原理、科學(xué)原理效應(yīng)庫和發(fā)明問題的76個標(biāo)準(zhǔn)解等問題求解工具，TRIZ工具可以用來幫助系統(tǒng)設(shè)計圍繞或規(guī)避專利的過程［9］。將TRIZ理論引入創(chuàng)新教育的課程當(dāng)中，并應(yīng)用于專利分析，有利于學(xué)生擺脫慣性思維，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)不足，并針對其不足之處做后續(xù)的創(chuàng)新設(shè)計。

1.2 專利分析與規(guī)避策略

專利規(guī)避起源于美國的合法競爭行為，是企業(yè)從法律角度避開其他競爭公司專利保護(hù)范圍而進(jìn)行的新設(shè)計繞道發(fā)展的設(shè)計過程，為達(dá)到避免專利權(quán)人進(jìn)行專利訴訟的目的［11］。專利規(guī)避在產(chǎn)品開發(fā)行業(yè)中發(fā)揮著重要作用，專利規(guī)避是一個過程，其準(zhǔn)則是建立在專利侵權(quán)法的規(guī)則基礎(chǔ)上的，以協(xié)助創(chuàng)造不侵犯專利權(quán)的新產(chǎn)品。專利規(guī)避是對專利的核心原理進(jìn)行規(guī)避或再發(fā)展，即對專利技術(shù)進(jìn)行挖掘，找到創(chuàng)新點，分析其存在的技術(shù)缺陷及改進(jìn)方向，從而有針對性地發(fā)展專利，實現(xiàn)專利規(guī)避［8］。

專利規(guī)避常見的有4種方法：刪除、替換、合并和分解［11］。刪除法就是裁剪一個或?qū)€技術(shù)特征，并將其功能轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)的其他組件。替換法是將一個或者多個技術(shù)特征用其他技術(shù)方案取代，并實現(xiàn)相同功能。合并法是將系統(tǒng)的一個或多個技術(shù)特征組合成新特征，且該新特征是有實質(zhì)上的改善，而不是原特征的簡單疊加。分解法是用多個技術(shù)特征來實現(xiàn)一個原技術(shù)特征的功能。專利規(guī)避方法如表1所示。

1.3 基于專利分析的創(chuàng)新設(shè)計流程

通過實踐教學(xué)，能夠結(jié)合TRIZ理論進(jìn)行專利分析及創(chuàng)新設(shè)計，將相關(guān)理論有效應(yīng)用到實際的案例中。除了專利分析，將TRIZ理論中的工具應(yīng)用到解決專利規(guī)避創(chuàng)新設(shè)計中產(chǎn)生的問題，能引導(dǎo)學(xué)生尋找求解的方向，獲取求解的思路。給出了基于專利分析的創(chuàng)新設(shè)計流程，該流程分為4個階段，如圖1所示。

表1 專利規(guī)避方法

圖1 基于專利分析的創(chuàng)新設(shè)計流程

（1）確定分析對象。這一階段包括給定課題方向、檢索相關(guān)專利、分析專利、建立功能模型和確定規(guī)避對象。老師先給學(xué)生確定課題方向，學(xué)生根據(jù)該方向檢索專利，并運用所學(xué)的理論知識進(jìn)行專利分析，建立專利的功能模型，從該模型中尋找有害、過?；騼r值低等的功能作為裁剪對象。

（2）定義問題。這一階段運用了專利規(guī)避策略中的方法對系統(tǒng)模型中分析對象進(jìn)行改進(jìn)。分析系統(tǒng)模型，確定組件功能是否能刪除、替換、拆分或組合，從而明確使用的規(guī)避方法。由于系統(tǒng)的一個或多個技術(shù)特征改變，會引起技術(shù)沖突或矛盾、物理矛盾等問題，分析規(guī)避后的模型，定義問題屬于哪一類，有利于后續(xù)運用TRIZ問題求解工具進(jìn)行解決。

（3）解決問題與確定方案。這一階段包括各類求解工具和設(shè)計方案。對于技術(shù)矛盾可用39個通用工程參數(shù)來描述和40個發(fā)明原理來解決；物質(zhì)-場分析可以確定系統(tǒng)的功能是否齊全，若系統(tǒng)存在缺陷，如有害功能，功能元件缺失和不足功能等，可用76個標(biāo)準(zhǔn)解來解決；還有科學(xué)原理效應(yīng)庫和分離原理等都可用來解決問題。在問題解決后確定設(shè)計方案。

（4）侵權(quán)判定。為防止侵權(quán)，在確定方案后需進(jìn)行侵權(quán)判定。目前法律上公認(rèn)的專利侵權(quán)判定原則有：全面覆蓋原則、等同原則、禁止反悔原則和多余指定原則。通過對比原方案和新方案，判斷新方案的技術(shù)是否落入規(guī)避方案的保護(hù)范圍，并對比兩者技術(shù)能力的“價值性”“有效性”及“可靠性”，以保證最后的規(guī)避方案既滿足實用性要求又滿足不侵權(quán)要求［12］。

2 基于專利分析的創(chuàng)新設(shè)計案例

在TRIZ理論課程結(jié)束后，要求學(xué)生分組以基于專利分析的創(chuàng)新設(shè)計流程進(jìn)行實踐，取得了良好的效果，下面通過一個小組以鉛筆延長器作為研究內(nèi)容的案例來進(jìn)行說明。他們選擇了專利號為201010265651.5 的鉛筆延長器［13］進(jìn)行分析，其所包括的主要元件如圖2所示。鉛筆延長器主要用于解決鉛筆長度不夠，無法使用而造成的資源浪費，依據(jù)專利說明書描述的技術(shù)實施方案建立各組件之間的關(guān)系。

（1）旋緊套1和夾緊片2的關(guān)系為：旋緊套1∧壓緊∧夾緊片2；

（2）夾緊片2和鉛筆的關(guān)系為：夾緊片2∧夾緊∧鉛筆；

（3）推進(jìn)桿4和鉛筆的關(guān)系為：推進(jìn)桿4∧推進(jìn)∧鉛筆。

∧代表“與”關(guān)系，說明符號前后的兩個組件有相互作用關(guān)系。

圖2 鉛筆延長器

延長器功能主要是將鉛筆壓緊在壓緊片中，從而實現(xiàn)延長功能。所以定義旋緊套和夾緊片作用的功能類型為基本作用，而推進(jìn)桿作用的功能類型為輔助作用。從而建立如表2所示的主要元件之間的關(guān)系，并建立功能模型如圖3所示。

表2 延長器組件的主要功能關(guān)系

圖3 鉛筆延長器的功能模型

由圖3可見，推進(jìn)桿對于鉛筆的推進(jìn)作用是過剩的作用，采用刪除法進(jìn)行裁剪。因而得到裁剪變體如圖4所示。

圖4 鉛筆延長器的裁剪變體

由于原作用為過剩作用，裁剪之后得到的模型產(chǎn)生了一個問題，即如何調(diào)整鉛筆的長度。采用沖突參數(shù)將它轉(zhuǎn)化為TRIZ問題。步驟如下：應(yīng)用TRIZ中39個工程參數(shù)描述問題需要改善的參數(shù)為33可操作性，惡化的工程參數(shù)為32可制造性。查找矛盾矩陣的結(jié)果為2抽?。ㄌ崛。一?，移走）、5合并、12等勢。根據(jù)發(fā)明原理會引發(fā)不同的設(shè)計方案，如原理2會引導(dǎo)設(shè)計者只抽取物體中需要的部分或特征，降低機構(gòu)復(fù)雜性且不影響整體功能。

根據(jù)TRIZ的原理解進(jìn)行鉛筆延長器的技術(shù)方案設(shè)計。對于出現(xiàn)的問題，采用以下解決方案：

（1）裁剪掉原專利中的推進(jìn)桿和凸環(huán)。因為通過松開旋緊套，便可調(diào)整鉛筆的外露長度，故無需推進(jìn)桿和凸環(huán)對鉛筆進(jìn)行推壓。

（2）把旋緊套和壓緊片的螺紋用方形鋸齒代替。因為從螺紋配合的接觸疲勞以及實際使用的反饋會發(fā)現(xiàn)：使用一段時間后，螺紋磨損明顯導(dǎo)致打滑，從而失去使用價值。

這樣得到的結(jié)果操作方便，同時由于結(jié)構(gòu)的裁剪，故加工復(fù)雜度和成本大幅降低，能夠滿足大部分客戶的需求。因此得到新的鉛筆延長器，如圖5所示。

該方案針對原專利所設(shè)計的鉛筆延長器中的推進(jìn)這一過剩功能以及螺紋配合導(dǎo)致的壽命過短的問題，通過利用裁剪結(jié)構(gòu)及更換配合方式來規(guī)避原專利中的專利保護(hù)范圍。此設(shè)計方案既吸取了該專利的技術(shù)優(yōu)勢，又針對其功能過剩進(jìn)行了改進(jìn)，在不侵犯現(xiàn)有專利保護(hù)范圍的前提下實現(xiàn)了鉛筆延長的功能，同時改善了可操作性，提高了使用壽命及降低了加工的成本。

該組學(xué)生不但對學(xué)習(xí)的理論知識和方法很好地運用在本次課程設(shè)計里面，還將其成果申請了實用新型專利，且已成功獲得授權(quán)［14］。

圖5 規(guī)避設(shè)計方案

3 專利分析實踐教學(xué)的價值

3.1 有利于學(xué)生利用專利文獻(xiàn)中的技術(shù)

專利文獻(xiàn)作為技術(shù)信息最有效的載體，囊括了全球90%以上的最新技術(shù)情報，相比一般技術(shù)刊物所提供的信息早5～6年，而且70% ～80%發(fā)明創(chuàng)造只通過專利文獻(xiàn)公開，并不見諸于其他科技文獻(xiàn)，相對于其他文獻(xiàn)形式，專利更具有新穎、實用的特征。可見，專利文獻(xiàn)是世界上最大的技術(shù)信息源，另據(jù)實證統(tǒng)計分析，專利文獻(xiàn)包含了世界科學(xué)技術(shù)信息的90% ～95%［15］。將專利應(yīng)用于創(chuàng)新教育中，通過相關(guān)課程介紹專利的檢索與分析，引導(dǎo)學(xué)生充分利用專利文獻(xiàn)中的技術(shù)，有助于學(xué)生擴充知識面，減少由于經(jīng)驗不足而無法進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計的障礙。

3.2 有利于提高學(xué)生的創(chuàng)新能力

大學(xué)生在進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計時，由于慣性思維和經(jīng)驗不足而難以進(jìn)行，通過查看專利文獻(xiàn)，學(xué)習(xí)當(dāng)中的技術(shù)，可以運用到自己的設(shè)計當(dāng)中去，從而培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，配合專利分析的相關(guān)方法，學(xué)生可以從中發(fā)現(xiàn)缺陷，進(jìn)行改進(jìn)，成為一個新的設(shè)計，去申請專利，在長期的訓(xùn)練當(dāng)中，可提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。除了可以應(yīng)用專利文獻(xiàn)的技術(shù)，也可培養(yǎng)學(xué)生運用專利工具保護(hù)創(chuàng)新成果。將專利申請流程，所要撰寫的申請文件教授給學(xué)生，讓學(xué)生懂得如何撰寫所要保護(hù)的技術(shù)范圍和了解申請過程。

3.3 有利于提高大學(xué)生的社會工作能力

人才是社會發(fā)展的資本，創(chuàng)新型社會發(fā)展催生了對創(chuàng)新型人才極大需求。在重視知識產(chǎn)權(quán)的現(xiàn)代，許多企業(yè)由于專利技術(shù)的壁壘（專利所有人依據(jù)專利權(quán)向使用專利產(chǎn)品的制造商收取高額費用）［16］，而無法使用新技術(shù)，故現(xiàn)代企業(yè)需要掌握專利知識，并能規(guī)避專利壁壘進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計的人才。在大學(xué)期間，將專利規(guī)避設(shè)計加入教學(xué)計劃中，可培養(yǎng)大學(xué)生利用專利文獻(xiàn)的意識，并掌握專利規(guī)避策略，進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，成為能為企業(yè)突破專利技術(shù)壁壘，研發(fā)新產(chǎn)品的創(chuàng)新型人才。

4 結(jié) 語

創(chuàng)新教育是時代的需求，如何培養(yǎng)出具有創(chuàng)新能力的人才是各個高校的重點任務(wù)之一。專利包含著世界上90%的最新技術(shù)，將其應(yīng)用到創(chuàng)新教育中去，有助于學(xué)生了解新技術(shù)和激發(fā)創(chuàng)新熱情。通過基于專利分析的創(chuàng)新設(shè)計學(xué)習(xí)和實踐，可以讓學(xué)生懂得如何去有效地分析專利，運用專利規(guī)避設(shè)計和TRIZ中的問題求解工具，解決專利技術(shù)中的缺陷，形成一個新的設(shè)計方案且不侵犯原專利權(quán)，并將成果申請新專利，將有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。