基于TRIZ理論視角的電工學(xué)教學(xué)探索

劉 毅，趙 斌，張優(yōu)賢

(河南工學(xué)院電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，河南新鄉(xiāng)，453003)

一、電工學(xué)課程教學(xué)現(xiàn)狀

電工學(xué)課程是非電類工科專業(yè)的根基，為學(xué)生學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)和從事工程技術(shù)工作奠定電學(xué)的理論基礎(chǔ)，并使他們受到基本的實(shí)踐訓(xùn)練。[1-2]課程主要由電路分析、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、電機(jī)學(xué)以及電力電子知識(shí)構(gòu)成。[3]傳統(tǒng)的電工學(xué)教學(xué)主要有以下特點(diǎn)。首先，課堂氣氛不夠活躍。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，非電專業(yè)的學(xué)生對電工學(xué)課程也產(chǎn)生了不同層次的需求。雖然學(xué)校針對不同群體制定了相應(yīng)的培養(yǎng)方案，但課堂趣味性沒有得到提高。在目前的理論教學(xué)當(dāng)中，由于電工學(xué)課程內(nèi)容枯燥，對學(xué)生的吸引力不強(qiáng)，導(dǎo)致課堂氣氛不活躍，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果不佳。其次，理論與實(shí)踐分離。隨著社會(huì)的進(jìn)步，各個(gè)高校都在開展理實(shí)一體化教學(xué)，但電工學(xué)課程大多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)教學(xué)，只是基礎(chǔ)內(nèi)容的簡單強(qiáng)化，沒有大幅度地提升學(xué)生的實(shí)踐操作能力及創(chuàng)新能力。最后，教學(xué)手段有待進(jìn)一步提高。雖然信息技術(shù)迅速崛起，大部分高校采用“多媒體+板書”的教學(xué)方式，相比粉筆教學(xué)有很大進(jìn)步，但“智慧教室”數(shù)量不夠充足，學(xué)生學(xué)習(xí)自主性未能得到最大化的挖掘。

二、TRIZ 理論體系

蘇聯(lián)發(fā)明家阿奇舒勒及其團(tuán)隊(duì)對近250萬件發(fā)明專利進(jìn)行類比和研究后，在1946年提出了TRIZ理論。[4]TRIZ是俄文字母首寫，指的是發(fā)明問題解決理論，是基于知識(shí)的、面向人的發(fā)明問題解決系統(tǒng)方法學(xué)。[4-5]1989年之前，“TRIZ”理論一直是蘇聯(lián)的國家機(jī)密，如今，利用TRIZ理論解決技術(shù)難題的企業(yè)越來越多，如轟動(dòng)一時(shí)的“三星效應(yīng)”：1997年，三星公司負(fù)債170億美元，瀕臨破產(chǎn)，三星公司花費(fèi)巨額傭金聘請TRIZ專家，同時(shí)成立專門的TRIZ隊(duì)伍；2006年，三星市場價(jià)值總額超過1000億美元，成功超過索尼。TRIZ理論因其對創(chuàng)新研發(fā)的助推力及對人類社會(huì)產(chǎn)生的積極影響而受到廣泛認(rèn)可。TRIZ理論的核心思想為：很多的方法和原理在發(fā)明的過程中是在重復(fù)使用的；技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化和發(fā)展并不是偶然的，而是遵循一定的客觀趨勢；技術(shù)系統(tǒng)的無序和離散問題，可以通過建模(系統(tǒng)模型、物場模型)的方式來解決。[5]TRIZ理論不是采取自我損失或者自我降低標(biāo)準(zhǔn)的方式進(jìn)行的，而是基于技術(shù)的發(fā)展進(jìn)化規(guī)律以及分析鉆研技術(shù)的設(shè)計(jì)與開發(fā)過程，不是偶然的結(jié)果。TRIZ理論認(rèn)為“發(fā)明問題”的命脈在于解決矛盾，在“設(shè)計(jì)過程”中不斷地發(fā)現(xiàn)矛盾，利用“發(fā)明原理”解決“沖突”，才能獲得最終理想解。[5-6]

TRIZ理論提供了多種打破慣性思維的方法，如九屏幕法、小人法、金魚法、STC算子、IFR等，幫助人們快速跳出慣性思維的禁錮，尋找更多的角度來分析問題。[4]TRIZ理論的工具可以系統(tǒng)地分析問題情境，快速發(fā)現(xiàn)問題本質(zhì)或矛盾，準(zhǔn)確確定問題探索方向。TRIZ理論還會(huì)引導(dǎo)人們進(jìn)行系統(tǒng)化的思考，根據(jù)技術(shù)進(jìn)化曲線預(yù)測技術(shù)產(chǎn)品的未來，幫助開發(fā)富有競爭力的新產(chǎn)品。因此，高?？梢越Y(jié)合電工學(xué)課程的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)，將TRIZ理論應(yīng)用于電工學(xué)課程教學(xué)當(dāng)中，引導(dǎo)學(xué)生使用TRIZ理論和方法剖析元器件，理解電路的實(shí)現(xiàn)過程以及改進(jìn)過程，使學(xué)生在輕松的課堂氣氛中對關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)有深刻的理解，同時(shí)習(xí)得科學(xué)的創(chuàng)新方法，幫助他們打破慣性思維怪圈，結(jié)合專業(yè)知識(shí)，做出高水平的創(chuàng)新成果。

三、TRIZ理論在電工學(xué)課程教學(xué)過程中的應(yīng)用

(一)突破慣性思維的創(chuàng)新方法在電工學(xué)課程教學(xué)過程中的應(yīng)用

慣性思維是每位學(xué)習(xí)者難以避免的思維定式。慣性思維有時(shí)可以讓學(xué)習(xí)者少走彎路，但慣性思維也會(huì)將學(xué)習(xí)者的思想禁錮，使其難以跳出專業(yè)定式、術(shù)語定式等，最終導(dǎo)致創(chuàng)新力不足的問題。本研究嘗試將TRIZ的思維方法引入課堂當(dāng)中，先用九屏幕法對整本知識(shí)進(jìn)行劃分，引入概念，在后續(xù)關(guān)于電路模型課程的講解中引入金魚法，在電路的改進(jìn)中引入小人法，以此幫助學(xué)生在了解知識(shí)的同時(shí)，學(xué)習(xí)克服慣性思維的方法。這種教學(xué)方法不僅將枯燥、難懂的電學(xué)知識(shí)變得生動(dòng)有趣，而且對其他專業(yè)課程的學(xué)習(xí)也頗有幫助。

(二)技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則在電工學(xué)課程教學(xué)過程中的應(yīng)用

技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化論是TRIZ的重要理論，技術(shù)系統(tǒng)變化同生物進(jìn)化有相似之處，也會(huì)向著適應(yīng)人們需求的方向發(fā)展。阿奇舒勒技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化論以八大進(jìn)化法則的形式進(jìn)行表述。在電工學(xué)課程教學(xué)中，教師可以引入進(jìn)化法則，用進(jìn)化的眼光來看待電路系統(tǒng)的發(fā)展，如在介紹電子管的發(fā)展史時(shí)引入增加集成度再采用簡化法則。該法則是指技術(shù)系統(tǒng)首先趨于集成度增加的方向，緊接著再進(jìn)行簡化的過程，電子管的發(fā)展經(jīng)歷了電子管、晶體管、集成電路、大規(guī)模集成電路階段。現(xiàn)在的超大規(guī)模集成電路可以實(shí)現(xiàn)在幾十平方毫米的板上集成上億電子管，根據(jù)向微觀級(jí)和場應(yīng)用的進(jìn)化法則給出電子管的下一步發(fā)展方向，即將會(huì)沿著減小它們尺寸的方向進(jìn)化，傾向于達(dá)到原子和基本粒子的尺度；再根據(jù)提高理想度的進(jìn)化法則，進(jìn)而指出電子管的發(fā)展總是朝著提高理想度的方向發(fā)展，技術(shù)系統(tǒng)最終朝著提高其理想度水平的方向發(fā)展。

(三)矛盾及對應(yīng)原理在電工學(xué)課程教學(xué)過程中的應(yīng)用

矛盾是一種普遍的自然現(xiàn)象，在技術(shù)系統(tǒng)中也是普遍存在的。阿奇舒勒認(rèn)為技術(shù)系統(tǒng)是在不斷地解決矛盾的過程中進(jìn)化的，將矛盾分為技術(shù)矛盾和物理矛盾，解決問題的步驟如圖1所示。

在電工學(xué)課程教學(xué)過程中，對于某些電路的發(fā)展，引入矛盾的概念，通過TRIZ的解決模式學(xué)習(xí)電路的優(yōu)化過程，將電路問題通過TRIZ解題步驟來解決，可以使問題及課程內(nèi)容變得生動(dòng)有趣。如電子技術(shù)中靜態(tài)工作點(diǎn)的穩(wěn)定電路——分壓偏置電路，靜態(tài)工作點(diǎn)的合理設(shè)置將直接影響放大電路信號(hào)是否正常，溫度、元件老化等因素影響靜態(tài)工作點(diǎn)，其中溫度受到的影響最為突出，進(jìn)而提出對電路進(jìn)行改進(jìn)，引進(jìn)基極電阻和發(fā)射極電阻。其中，基極電阻將基極電位鉗制在某一固定值，發(fā)射極電阻通過采樣來實(shí)現(xiàn)自我調(diào)節(jié)，但是發(fā)射極電阻的引入將大大影響整個(gè)電路的放大倍數(shù)，即引入發(fā)射極電阻使得靜態(tài)工作點(diǎn)得到了改善，卻使得放大倍數(shù)降低。通過將實(shí)際問題抽象化得到TRIZ理論的問題模型，該技術(shù)問題引入發(fā)射極電阻，改善了阿奇舒勒39個(gè)工程參數(shù)中的26號(hào)參數(shù)，即可靠性，惡化了阿奇舒勒39個(gè)工程參數(shù)中的22號(hào)參數(shù)，即能量損失。通過查找表1所示的阿奇舒勒矛盾矩陣表找到TRIZ給出的創(chuàng)新原理啟示：預(yù)先作用原理(第10號(hào)原理)、事先防范原理(第11號(hào)原理)、改變物理或化學(xué)參數(shù)原理(第35號(hào)原理)，結(jié)合實(shí)際電路，采用預(yù)先作用原理(第10號(hào)原理)，最終轉(zhuǎn)化成電學(xué)實(shí)際問題模型，采用在發(fā)射極電阻旁邊增加電容的方式來消除放大倍數(shù)的影響，提高電路穩(wěn)定性。

圖1 TRIZ解題模式

表1 阿奇舒勒部分矛盾矩陣表

基于電工學(xué)課程的教學(xué)現(xiàn)狀，課堂趣味性有待提高，根據(jù)新時(shí)代學(xué)生的特點(diǎn)，自主學(xué)習(xí)能力仍有提升空間。TRIZ理論可幫助學(xué)生用發(fā)展的、進(jìn)化的角度去學(xué)習(xí)理論性較強(qiáng)的電工學(xué)課程，能有效地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，開動(dòng)學(xué)生大腦，幫助學(xué)生了解電路系統(tǒng)的發(fā)展史、進(jìn)化史，在提高課堂趣味性的同時(shí)也夯實(shí)了學(xué)生創(chuàng)新能力的基礎(chǔ)。