基于TRIZ理論的《陶瓷工藝學(xué)》教學(xué)與創(chuàng)新教育融合的研究

趙慧君 劉罡 李其松 賈少培 陳守輝 張文麗 鄭瑾 陳穎穎

摘要：為培養(yǎng)應(yīng)用創(chuàng)新型人才，文章提出將《陶瓷工藝學(xué)》課程教學(xué)與創(chuàng)新教育融合的觀點(diǎn)，首先通過(guò)案例引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新思維，突破定勢(shì)思維，其次將重新構(gòu)建《陶瓷工藝學(xué)》的課程內(nèi)容體系，同時(shí)，將課程中的知識(shí)重點(diǎn)與難點(diǎn)轉(zhuǎn)化為TRIZ系統(tǒng)中的技術(shù)沖突重現(xiàn)過(guò)程，通過(guò)翻轉(zhuǎn)式、啟發(fā)式教學(xué)引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)參與發(fā)明原理溯源、技術(shù)進(jìn)化定律分析及沖突科學(xué)解決的理性思考過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生主動(dòng)參與教學(xué)過(guò)程的目的，培養(yǎng)創(chuàng)新意識(shí)，提升掌握和使用創(chuàng)新工具的能力。為今后專業(yè)教育與創(chuàng)新教育的融合打下了良好的實(shí)踐基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：TRIZ理論;陶瓷工藝學(xué);創(chuàng)新教育;融合

《陶瓷工藝學(xué)》是材料科學(xué)與工程專業(yè)的專業(yè)限選課程，是無(wú)機(jī)非金屬材料專業(yè)一門主干的、實(shí)踐性較強(qiáng)的專業(yè)課程，主要講述陶瓷材料的生產(chǎn)工藝原理、工藝流程和工藝控制要點(diǎn)。通過(guò)課堂教學(xué)和工藝實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生了解日用陶瓷及主要工業(yè)陶瓷制品的種類、基本性能要求;掌握陶瓷生產(chǎn)主要原料的性質(zhì)、特點(diǎn)和作用;掌握陶瓷坯料、釉料基本工藝要求和配方設(shè)計(jì)計(jì)算[1]。教學(xué)過(guò)程中融入TRIZ創(chuàng)新思維方法，將陶瓷工藝學(xué)課程教學(xué)與創(chuàng)新教育相融合，有效整合教學(xué)資源，加強(qiáng)學(xué)生的應(yīng)用能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，為分析和解決一般生產(chǎn)工藝常見(jiàn)問(wèn)題打開(kāi)思路、提供工具，提升未來(lái)復(fù)合型應(yīng)用人才的創(chuàng)新能力[2]。

1.TRIZ理論概述

1.1 TRIZ的基本內(nèi)容

TRIZ是一種基于知識(shí)的發(fā)明問(wèn)題解決系統(tǒng)方法學(xué)，該理論誕生于前蘇聯(lián)，是1946年由發(fā)明家、教育家根里奇·阿奇舒勒和他的研究團(tuán)隊(duì)，從250多萬(wàn)件發(fā)明專利中總結(jié)出的創(chuàng)新最常用的方法和原理[3]。TRIZ理論認(rèn)為：（1）無(wú)論是一個(gè)簡(jiǎn)單產(chǎn)品還是復(fù)雜的技術(shù)系統(tǒng)，其核心技術(shù)的發(fā)展都是遵循著客觀的規(guī)律發(fā)展演變的，即具有客觀的進(jìn)化規(guī)律和模式;（2）各種技術(shù)難題、沖突和矛盾的不斷解決是推動(dòng)這種進(jìn)化過(guò)程的動(dòng)力;（3）技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展的理想狀態(tài)是用盡量少的資源實(shí)現(xiàn)盡量多的功能。

TRIZ是由40條發(fā)明原理、8大技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則、4種分離方法、76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解形成的。經(jīng)典TRIZ包括創(chuàng)新思維工具、技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則、矛盾矩陣、物-場(chǎng)模型、標(biāo)準(zhǔn)解法等。TRIZ強(qiáng)調(diào)發(fā)明或創(chuàng)新可依一定的程序與步驟進(jìn)行，而非偶然的頓悟、突然的靈光乍現(xiàn)。

1.2 TRIZ的應(yīng)用

蘇聯(lián)在上世紀(jì)中期開(kāi)始大力培養(yǎng)國(guó)民創(chuàng)新能力和素質(zhì)，將TRIZ學(xué)習(xí)列入憲法中，有100多所院校開(kāi)設(shè)有TRIZ理論的課程。隨著蘇聯(lián)的解體，人才向西方國(guó)家流動(dòng)，世界各國(guó)才得以逐漸了解TRIZ理論并將其應(yīng)用到本國(guó)的發(fā)展中。

美國(guó)的一些世界級(jí)公司，如波音公司，利用TRIZ理論解決了波音飛機(jī)空中加油的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，從而戰(zhàn)勝了法國(guó)空中客車公司，為波音贏得了幾億美元的訂單。德國(guó)幾乎所有名列世界500強(qiáng)的大企業(yè)都采用了該理論，如西門子、奔馳、寶馬等著名公司都有專門的機(jī)構(gòu)及人員負(fù)責(zé)該理論的培訓(xùn)和應(yīng)用。日本的索尼公司每年都要推出數(shù)種新產(chǎn)品，其動(dòng)力來(lái)源于創(chuàng)新戰(zhàn)略和創(chuàng)新理論方法的研究應(yīng)用。韓國(guó)的三星電子公司也專門成立了協(xié)會(huì)，在產(chǎn)品技術(shù)研發(fā)部門實(shí)施技術(shù)創(chuàng)新理論培訓(xùn)，目前三星公司已成為在中國(guó)申請(qǐng)專利最多的國(guó)外企業(yè)[4]。

2.TRIZ理論在《陶瓷工藝學(xué)》教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 創(chuàng)新思維，突破定勢(shì)

創(chuàng)新是人人都具有的一種潛在的能力，而且這種能力可以通過(guò)一定的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練得到激發(fā)和提升。同時(shí)，創(chuàng)新是有規(guī)律可循的。而要?jiǎng)?chuàng)新思維，就要突破思維定勢(shì)。思維定勢(shì)能幫助我們解決常見(jiàn)的問(wèn)題，提高效率，但也容易使思維僵化，養(yǎng)成一種機(jī)械、呆板、千篇一律的解題習(xí)慣。相對(duì)于傳統(tǒng)發(fā)散的創(chuàng)新方法，比如試錯(cuò)法、頭腦風(fēng)暴法等，TRIZ創(chuàng)新方法是收斂創(chuàng)新，其更加易于操作、系統(tǒng)化、流程化，實(shí)踐證明，運(yùn)用TRIZ理論，可大大加快人們創(chuàng)造發(fā)明的進(jìn)程，幫助人們系統(tǒng)地分析問(wèn)題情境，突破思維障礙，快速發(fā)現(xiàn)問(wèn)題本質(zhì)或矛盾，確定問(wèn)題探索方向。

《陶瓷工藝學(xué)》課程教學(xué)中，通過(guò)案例訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新思維，比如“在一條有限的紙條上劃出一條直線，從起點(diǎn)到起點(diǎn)”，引導(dǎo)學(xué)生使用莫比烏斯環(huán)，然后引導(dǎo)學(xué)生思考莫比烏斯帶的應(yīng)用領(lǐng)域，進(jìn)而引出TRIZ創(chuàng)新方法中的效應(yīng)庫(kù)。

2.2 基于TRIZ理論構(gòu)建課程內(nèi)容

傳統(tǒng)的《陶瓷工藝學(xué)》課程內(nèi)容包括十個(gè)章節(jié)，與TRIZ創(chuàng)新方法相融合后，具體的章節(jié)內(nèi)容發(fā)生了一些變化（表1），課程的總體學(xué)時(shí)不變。主要變化在于，加入了融合課程內(nèi)容的TRIZ創(chuàng)新方法講授，尤其是前兩章的內(nèi)容，TRIZ創(chuàng)新方法的介紹較多。經(jīng)過(guò)TRIZ創(chuàng)新方法融合后的《陶瓷工藝學(xué)》，從目錄上來(lái)看，后面8個(gè)章節(jié)基本沒(méi)有發(fā)生變化，但在具體授課時(shí)，會(huì)以前兩章所學(xué)習(xí)的TRIZ創(chuàng)新方法為指導(dǎo)，對(duì)陶瓷制備工藝發(fā)展過(guò)程中的技術(shù)沖突或物理沖突進(jìn)行識(shí)別并創(chuàng)新解決，為今后學(xué)習(xí)具體的陶瓷成型工藝、燒成工藝、施釉工藝等內(nèi)容打好科技革新及分析解決技術(shù)沖突、物理沖突的基礎(chǔ)。

TRIZ理論認(rèn)為在任何時(shí)代、任何科技領(lǐng)域都存在著技術(shù)進(jìn)化系統(tǒng)，并總結(jié)出了9條技術(shù)進(jìn)化定律，這種技術(shù)進(jìn)化路線是可以被歸類和預(yù)測(cè)的。因此，在《陶瓷工藝學(xué)》的課程教學(xué)中，可以遵循陶瓷制備技術(shù)進(jìn)化與發(fā)展的主線，分析把握工藝進(jìn)化的主要因素與方向，將陶瓷制備工藝過(guò)程中每一道主要工序的變革與改進(jìn)（第四、第五、第六、第七、第八章）看做是陶瓷制備工藝技術(shù)進(jìn)化的典型案例進(jìn)行分析，將第三章（顯微結(jié)構(gòu)與性質(zhì)）看做是具體技術(shù)沖突中的可分析工程參數(shù)，從而將整個(gè)課程的知識(shí)體系通過(guò)TRIZ方法有機(jī)的聯(lián)系起來(lái)，在傳授專業(yè)知識(shí)的基礎(chǔ)之上，有效提高學(xué)生掌握《陶瓷工藝學(xué)》課程的精髓，把握專業(yè)的發(fā)展及創(chuàng)新方向。

在具體教學(xué)過(guò)程中，每一章節(jié)在授課之前，將技術(shù)進(jìn)化定律與授課內(nèi)容進(jìn)行統(tǒng)領(lǐng)式關(guān)聯(lián)，對(duì)技術(shù)發(fā)展中的沖突進(jìn)行分類和分離。在具體到每一章節(jié)，每一個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)時(shí)，可以將每種新技術(shù)、新材料、新工藝的發(fā)展和應(yīng)用解決了何種沖突作為出發(fā)點(diǎn)，運(yùn)用TRIZ創(chuàng)新工具將創(chuàng)新方法及創(chuàng)新思維融入到具體的課程內(nèi)容之中。

2.3 沖突與發(fā)明原理在《陶瓷工藝學(xué)》教學(xué)中的應(yīng)用

沖突是指內(nèi)在要素、作用或主張彼此不一致或相反的情景，發(fā)明的核心是解決沖突，未克服沖突的設(shè)計(jì)不是創(chuàng)新設(shè)計(jì)。當(dāng)改善技術(shù)系統(tǒng)中某一特性或參數(shù)時(shí)，同時(shí)引起系統(tǒng)中另一特性或參數(shù)的變化，稱為技術(shù)沖突;在一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)中對(duì)同一參數(shù)提出了相反或是不同的要求時(shí)，就構(gòu)成了物理沖突。阿奇舒勒通過(guò)對(duì)大量的專利進(jìn)行研究、分析、總結(jié)，提煉出了TRIZ理論中最重要，具有普遍用途的40個(gè)發(fā)明原理來(lái)解決技術(shù)沖突。 40個(gè)發(fā)明原理開(kāi)啟了一道解決發(fā)明問(wèn)題的天窗，將發(fā)明從魔術(shù)推向科學(xué)。

在陶瓷原料處理工藝改進(jìn)中，為了獲得突破性的解決方案，需要專業(yè)技術(shù)人員不斷改進(jìn)及創(chuàng)新。TRIZ工具中的阿奇舒勒沖突矩陣和發(fā)明原理可以啟發(fā)技術(shù)工程師獲得較為徹底的解決方案，而不需要通過(guò)妥協(xié)及折中的方法去解決技術(shù)沖突，大大提高了創(chuàng)新效率和效能。阿奇舒勒矛盾矩陣中調(diào)用的40個(gè)發(fā)明原理，在陶瓷原料處理工藝改進(jìn)過(guò)程中都能夠體現(xiàn)和運(yùn)用。在課程教學(xué)中可以與學(xué)生一起針對(duì)具體技術(shù)系統(tǒng)，尋找通用工程參數(shù)，確定技術(shù)矛盾，闡明適用的發(fā)明原理?，F(xiàn)舉兩例。

TRIZ發(fā)明原理中的10“預(yù)操作”指的是事先完成部分或全部的動(dòng)作或功能;在方便的位置預(yù)先安置物體，使其在第一時(shí)間發(fā)揮作用，避免時(shí)間的浪費(fèi)。此原理在陶瓷原料處理工藝中得到了廣泛應(yīng)用。我國(guó)陶瓷工業(yè)用石英原料通常采用脈石英或石英巖，質(zhì)地堅(jiān)硬，粉碎困難，效率低且磨損設(shè)備零件。而天然石英石低溫型的β-石英，當(dāng)加熱到573℃時(shí)，多晶轉(zhuǎn)變?yōu)棣?石英，體積驟然膨脹，致使石英內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，利于粉碎。該處理方式同時(shí)采用了TRIZ發(fā)明原理36“相變”，即利用物質(zhì)相變時(shí)產(chǎn)生的某種效應(yīng)（如：體積改變、吸熱或放熱）。因此，石英粉碎前先進(jìn)行預(yù)燒，強(qiáng)化晶型轉(zhuǎn)變，然后急冷，加劇產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，促使碎裂。除了石英，其它原料如長(zhǎng)石、滑石、粘土等，都可以采用類似預(yù)處理，因此，“預(yù)操作”、“相變”發(fā)明原理的采用大大改進(jìn)了陶瓷原料的處理工藝，從而改變其結(jié)晶形態(tài)和物理性能，便于加工處理、純化原料，使之更加符合工藝要求，提高制品的品質(zhì)，促進(jìn)了陶瓷工藝的進(jìn)步。

TRIZ發(fā)明原理中的15“逆向思維”指的是使物體或其環(huán)境自動(dòng)調(diào)整，以使其在每個(gè)動(dòng)作階段的性能達(dá)到最佳;把物體分成幾個(gè)部分，各部分之間可改變相對(duì)位置;使物體中的運(yùn)動(dòng)部分靜止，靜止部分運(yùn)動(dòng)。這條原理在陶瓷成型工藝時(shí)發(fā)揮了重要作用。例如，在陶瓷制品生產(chǎn)過(guò)程中，成型是非常關(guān)鍵的工序之一。可塑成型是最古老、形式變化最多，也是采用較多的成型方法。但可塑成型所用泥料含水量高，易變性、開(kāi)裂等。旋壓成型是常用的一種可塑成型方法，主要是利用作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的石膏模與只能上下運(yùn)動(dòng)的樣板刀來(lái)成型，因此坯體致密度和強(qiáng)度較低。利用“逆向思維”發(fā)明原理，把扁平的樣板刀改為回轉(zhuǎn)型的滾壓頭，成型時(shí)盛放泥料的模型和滾頭分別繞自己軸線以一定速度同方向旋轉(zhuǎn)，因此坯體組織結(jié)構(gòu)均勻，致密度和強(qiáng)度均有所提高。同時(shí)，滾壓成型是靠滾頭與坯體相滾動(dòng)而使坯體表面光滑，且無(wú)須再加水。通過(guò)逆向思維，賦予成型坯體高強(qiáng)度、不易變形、表面品質(zhì)好、規(guī)整度高等多方面良好的性能。

2.4 技術(shù)進(jìn)化定律及路線在《陶瓷工藝學(xué)》教學(xué)中的應(yīng)用

技術(shù)系統(tǒng)在進(jìn)化的過(guò)程中有一定的原則，而不具有隨機(jī)性。如果在進(jìn)行產(chǎn)品技術(shù)研發(fā)時(shí)，能夠遵行法則掌握產(chǎn)品研發(fā)所處的階段，就能夠減少產(chǎn)品創(chuàng)新所花費(fèi)的時(shí)間，由此節(jié)約企業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新的成本[5]。生物的生命周期往往會(huì)呈現(xiàn)出S曲線，技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化也恰好遵循客觀的進(jìn)化規(guī)律，當(dāng)技術(shù)系統(tǒng)經(jīng)歷了幼年、成熟等時(shí)期后，會(huì)形成一個(gè)循環(huán)，如圖1所示。

在學(xué)習(xí)《陶瓷工藝學(xué)》核心內(nèi)容“燒成”時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生從燒成設(shè)備的核心技術(shù)出發(fā)，應(yīng)用TRIZ工具，將陶瓷燒成工藝發(fā)展與系統(tǒng)進(jìn)化理論聯(lián)系起來(lái)，從而高效地找到技術(shù)進(jìn)化路線。在其他章節(jié)的技術(shù)進(jìn)步及革新替代中也應(yīng)用TRIZ系統(tǒng)工具進(jìn)行分析，現(xiàn)以兩個(gè)教學(xué)案例具體說(shuō)明如何將技術(shù)進(jìn)化定律與陶瓷工藝技術(shù)進(jìn)步進(jìn)行融合。

陶瓷行業(yè)的產(chǎn)品迭代離不開(kāi)上游陶機(jī)裝備，尤其是被喻為陶瓷生產(chǎn)線心臟的窯爐設(shè)備的創(chuàng)新。從上世紀(jì)80年代起，窯爐技術(shù)在寬體化、輕體化、燃?xì)饣妥詣?dòng)化等方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，并且隨著“工業(yè)4.0”和“中國(guó)制造2025”等概念的提出，窯爐裝備也在向數(shù)字智能化方向邁進(jìn)。其符合TRIZ進(jìn)化定律5“子系統(tǒng)不均衡進(jìn)化法則”。在陶瓷的燒成設(shè)備中，輥道窯的輥棒自動(dòng)檢測(cè)和智能管理設(shè)備未來(lái)或成標(biāo)配，同時(shí)，隨著各陶瓷產(chǎn)區(qū)推進(jìn)“煤改氣”進(jìn)程的加快，越來(lái)越多企業(yè)的窯爐開(kāi)始改燒天然氣，而天然氣窯爐節(jié)能降耗的空間巨大，另外，寬體化是窯爐行業(yè)的發(fā)展方向，從早期的2米內(nèi)寬再到后來(lái)的3.15米、3.45米以及3.85米，超寬體窯爐已經(jīng)成為眾多陶瓷企業(yè)的標(biāo)配，在窯爐橫向加寬的同時(shí)，另一方面，雙層窯和多層裝載的窯爐也開(kāi)始出現(xiàn)，在縱向空間做文章，雙層窯、多層裝載或許將成為趨勢(shì)[6]。而燒成是普通陶瓷制造工藝過(guò)程中的工序之一，而窯爐則是燒成的專門熱工設(shè)備，燒成過(guò)程直接決定著陶瓷制品的礦物組成和顯微結(jié)構(gòu)，以及生產(chǎn)成本等。為了提高陶瓷制品的產(chǎn)量和質(zhì)量，降低能耗，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少污染以及提高燒成溫度，窯爐設(shè)備從古老的古窯、龍窯、階級(jí)窯、景德鎮(zhèn)窯，到近現(xiàn)代的倒焰窯、隧道窯、梭式窯、輥道窯，窯爐設(shè)備與燃料的發(fā)展變化，與其他工序相互影響，不平衡發(fā)展，由此也產(chǎn)生一系列創(chuàng)新。

再以現(xiàn)代的注射成型技術(shù)為例，其技術(shù)發(fā)展路徑符合進(jìn)化定律4“提高理想度法則”，即技術(shù)系統(tǒng)朝著提高系統(tǒng)理想度的方向進(jìn)化。傳統(tǒng)的可塑成型的生產(chǎn)效率一般較低，且對(duì)泥料的可塑性較高，同時(shí)對(duì)操作人員的技術(shù)要求較高，工藝的普遍適用性較低;注漿成型的陶瓷制品相比而言工藝適用性提高，對(duì)操作人員的要求明顯降低，但注漿成型的尺寸精度較低;注射成型無(wú)論是適用性，還是產(chǎn)品尺寸精度、產(chǎn)品復(fù)雜程度都有較大改善，注射成型產(chǎn)品的整體性能普遍提高。利用現(xiàn)有的能量和資源實(shí)現(xiàn)有用功能，同時(shí)降低或減少有害作用，從而提高理想度。

3.結(jié)語(yǔ)

將TRIZ 理論引入專業(yè)課程教學(xué)過(guò)程，對(duì)專業(yè)課程《陶瓷工藝學(xué)》的教學(xué)方法與手段、教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重新設(shè)計(jì)與構(gòu)建。在教學(xué)過(guò)程中構(gòu)建技術(shù)沖突、物理沖突并引導(dǎo)解決沖突的場(chǎng)景，將陶瓷制品的制備工藝發(fā)展與技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則聯(lián)系起來(lái)，通過(guò)多種教學(xué)方法與手段，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用TRIZ創(chuàng)新工具參與尋找技術(shù)進(jìn)化規(guī)律與路線，通過(guò)科學(xué)的方法培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，將專業(yè)教育與創(chuàng)新教育有機(jī)融合在一起，取得了良好的效果，為創(chuàng)新教育與專業(yè)教育融合之課程體系建設(shè)提供了有益的借鑒。

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作者簡(jiǎn)介：趙慧君（1972-），女，中原工學(xué)院副教授，主要研究方向?yàn)闊o(wú)機(jī)非金屬材料和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育。