TRIZ理論在“水污染控制工程”課程教學(xué)中的應(yīng)用初探

陳 默 于 婧 宋慧婷 江書琪 趙麗婭

（湖北大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 湖北武漢 430062）

黨的十九大報告中明確提出“創(chuàng)新是引領(lǐng)發(fā)展的第一動力，是建設(shè)現(xiàn)代化經(jīng)濟體系的戰(zhàn)略支撐”[1]。創(chuàng)新的本質(zhì)意義在于創(chuàng)造性的發(fā)現(xiàn)問題并能解決問題的過程[2]。為了適應(yīng)建設(shè)創(chuàng)新型國家的需要，高等教育人才培養(yǎng)模式也逐漸從傳統(tǒng)型向創(chuàng)新復(fù)合型人才轉(zhuǎn)變，為學(xué)生創(chuàng)造創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力發(fā)展的良好環(huán)境勢在必行，課堂授課作為傳統(tǒng)普遍的教學(xué)方式也在朝向多元化教學(xué)模式發(fā)展，我國許多高校中已經(jīng)開設(shè)了與TRIZ理論（發(fā)明問題解決理論）相關(guān)的創(chuàng)新課程[3]。TRIZ理論作為一種發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的工具，可以在課堂授課教學(xué)中輔助學(xué)生更好地理解原理的應(yīng)用及工程工藝案例剖析，鼓勵學(xué)生打破常規(guī)思維習(xí)慣的模式，培養(yǎng)學(xué)生善于提出問題的一種習(xí)慣意識，TRIZ理論與課堂教學(xué)的融合能進一步加強大學(xué)生創(chuàng)新思維、產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計等能力的培養(yǎng)，提升課堂教學(xué)效果，達成培養(yǎng)目標(biāo)。

一、專業(yè)及課程特點分析

環(huán)境工程專業(yè)是一門旨在改善環(huán)境質(zhì)量，促進社會、經(jīng)濟和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的綜合性學(xué)科。我校環(huán)境工程專業(yè)在“生態(tài)文明建設(shè)”國家戰(zhàn)略指導(dǎo)下，形成了以黑臭水體污染治理、環(huán)境廢物資源化綜合利用和生態(tài)環(huán)境修復(fù)為核心的專業(yè)特色，重點培養(yǎng)適應(yīng)環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展與污染治理相關(guān)企業(yè)需求，能從事環(huán)境污染治理工程領(lǐng)域相關(guān)的工程設(shè)計、設(shè)備開發(fā)、環(huán)境管理、生態(tài)保護以及相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的高級應(yīng)用型人才。“水污染控制工程”是環(huán)境工程、環(huán)境科學(xué)等相關(guān)專業(yè)本科生的一門學(xué)科專業(yè)核心課，是環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)科中具有綜合性、實踐性、時代性和創(chuàng)新性的一門重要的理論與方法課程[4-5]。通過對“水污染控制工程”的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握污水的物理化學(xué)及生物處理方法，包括各類方法的基本理論、工藝原理、主要設(shè)計計算和常規(guī)設(shè)備的技術(shù)性能，并熟悉水處理構(gòu)筑物運行和管理。培養(yǎng)學(xué)生分析和解決工程實際問題，并使學(xué)生具有一定的研究能力。但是在實際教學(xué)中存在原理難以解釋透徹，內(nèi)容空洞及抽象化等問題，學(xué)生不易掌握知識點，也不能激發(fā)學(xué)習(xí)興趣和自主學(xué)習(xí)習(xí)慣，課堂授課效果不理想。

二、TRIZ理論簡介

TRIZ是“發(fā)明問題解決理論”由俄文轉(zhuǎn)換成拉丁文（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch， TRIZ）后的首字母縮寫，其 英 文 全 稱 是Theory of Inventive Problem Solving， 縮 寫 為TIPS，其意義為解決問題發(fā)明問題的理論[6-7]。TRIZ是前蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒及其領(lǐng)導(dǎo)的一批研究人員，自1946年開始，在分析研究世界各國250萬件專利的基礎(chǔ)上，提取專利中所蘊含的解決發(fā)明問題的原理及其規(guī)律性之后建立起來的。TRIZ理論提出功能分析、沖突分析、物質(zhì)分析、理解分析和資源分析，用于問題模型的建立、分析和轉(zhuǎn)換。目前我國陸續(xù)有高校開設(shè)TRIZ理論課程，以該課程為先導(dǎo)課程，基于TRIZ問題的求解過程。在教學(xué)過程中，以問題為導(dǎo)向，融合技術(shù)沖突解決理論（40條發(fā)明原理、查矛盾矩陣求解）、物理沖突解決理論（分離原理）闡述教學(xué)內(nèi)容知識點，鼓勵學(xué)生自我提問并進行研究求解，討論得出結(jié)果，探索嘗試TRIZ理論融入課堂教學(xué)的授課模式，充分發(fā)揮學(xué)生為主體的優(yōu)勢，這對提高教學(xué)質(zhì)量會起到重要作用。

三、TRIZ理論融入課堂教學(xué)

（一）教學(xué)內(nèi)容設(shè)計

在水污染控制工程這門課教學(xué)過程中，目前存在以下一些困難：作為專業(yè)核心課程，學(xué)習(xí)內(nèi)容繁多，知識量大，授課方式通常都是先講授原理、理論部分，實驗實踐課安排在理論課后面。因此，原理部分內(nèi)容抽象，學(xué)生沒有接觸或者參觀實際構(gòu)筑物及工藝，課程難度大，學(xué)生缺乏信心和成就感，主動性和參與性較低，導(dǎo)致教學(xué)效果不理想。針對課程特點及授課障礙，在TRIZ理論基礎(chǔ)上，應(yīng)用啟發(fā)式教學(xué)，引導(dǎo)學(xué)生自我提問，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

例如，在講解污水的物理處理這一章，先給學(xué)生介紹物理處理的原理就是去除污水中的漂浮物和懸浮物，實質(zhì)上就是采用了TRIZ理論的分離原理設(shè)計構(gòu)筑物阻攔水面上的漂浮物（塑料瓶、樹枝木片、果皮等）。分離原理是指將一個物體中的“干擾”部分分離出去，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)散思維，大膽想象，在污水進入污水處理廠前的第一個單元中，如何來設(shè)計構(gòu)筑物阻擋水中漂浮物，目的是將漂浮物與污水分離，讓污水進入第二個處理單元中，當(dāng)同學(xué)們各抒己見之后，老師可以利用課件或者播放小視頻，引出“格柵”，這時讓學(xué)生重點觀察格柵的結(jié)構(gòu)特點，提問“為什么格柵需要分成若干根柵條”，采用TRIZ原理中的分割原理（增加物體相互獨立部分的程度）進行設(shè)計，可以調(diào)整柵條間隙控制截流量。在這一部分的講解中引入TRIZ發(fā)明原理中的分割與分離原理，讓學(xué)生加深對這部分內(nèi)容的理解。在格柵構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)設(shè)計中按形狀分為平面格柵和曲面格柵，當(dāng)柵渣量大時可用機械清渣（回轉(zhuǎn)式機械清渣、鋼絲繩牽引式機械清渣等），這里可以引入TRIZ發(fā)明原理中的曲面化原理（將直線或平面轉(zhuǎn)化成曲線或曲面）和動態(tài)化原理（如果一個物體或系統(tǒng)是剛性的，使其變?yōu)榭蓜踊蚩烧{(diào)的）闡釋不同構(gòu)型的格柵。同樣，沉砂池、沉淀池的設(shè)計都可以用上述TRIZ發(fā)明原理進行引導(dǎo)和闡釋。

例如，講解活性污泥法這一章，傳統(tǒng)的活性污泥法工藝主要由曝氣池、二次沉淀池、曝氣系統(tǒng)以及污泥回流系統(tǒng)等組成，這里可以引入TRIZ發(fā)明原理中的合并原理（依據(jù)規(guī)則，在空間上或時間上連接或合并相同的或相關(guān)聯(lián)的物體、操作或功能），舉例生活中冷熱水混合的水龍頭，讓學(xué)生在此基礎(chǔ)上能更容易理解活性污泥法工藝流程幾個單元執(zhí)行的功能及其之間的相互聯(lián)系。引導(dǎo)學(xué)生思考傳統(tǒng)活性污泥法工藝流程的優(yōu)點和缺點，著重分析缺點，即存在的問題（反應(yīng)器占地面積大，供氧不均勻，在反應(yīng)器前段出現(xiàn)耗氧速度高于供氧速度的現(xiàn)象，末端出現(xiàn)供氧速率高于需氧速率的現(xiàn)象）利用TRIZ理論幫助學(xué)生找到物理沖突，讓學(xué)生嘗試用TRIZ理論中物理沖突解決理論（空間分離、時間分離、基于條件的分離、整體與部分的分離）解決傳統(tǒng)活性污泥工藝中的技術(shù)問題；也可以鼓勵學(xué)生嘗試找到需要改善的參數(shù)和可能惡化的參數(shù)這一對矛盾，通過查找矛盾矩陣得到相應(yīng)的發(fā)明原理，結(jié)合專業(yè)知識，課堂小組討論出可行的技術(shù)方案，這樣不僅深化了知識點，還增強了學(xué)生主動性。通過TRIZ理論融入本章內(nèi)容教學(xué)，即可深入淺出講授漸減曝氣活性污泥法和階段曝氣活性污泥法工藝。

（二）教學(xué)效果評價改革

課程的評價應(yīng)當(dāng)是過程性評價與終結(jié)性評價相結(jié)合，以往課程成績都是以平時成績（占30%）和期末成績（70%）兩部分內(nèi)容組成。這樣的考核形式過于注重結(jié)果而忽視了過程，不能考查學(xué)生的創(chuàng)新能力、實踐操作能力等，對學(xué)生知識點掌握的評價不夠具體化。依據(jù)TRIZ理論中的分割原理，課程考核方式由若干環(huán)節(jié)組成，內(nèi)容及權(quán)重可以分配如下：出勤和作業(yè)（10%）+課堂參與度（10%）+小組討論（10%）+實驗完成度（20%）+期末考試成績（50%）。相比以往考核方式加大了課堂參與度、小組討論及實驗部分的環(huán)節(jié)比重，更加注重過程性考核。以往期末考試通常以紙質(zhì)卷面作答為主，容易造成考試前的死記硬背，我們可以嘗試與學(xué)生進行一對一、面對面的提問作答，能提高學(xué)生口頭表達能力和隨機應(yīng)變能力，提供多元化的考試方式，讓學(xué)生在平時學(xué)習(xí)過程中注重知識點的領(lǐng)悟和融會貫通，而不是考試前的臨時突擊，最終達到讓每一位同學(xué)盡可能的掌握本門課程重要知識點的目的。

四、結(jié)束語

水污染控制工程作為環(huán)境專業(yè)的一門重要核心課，學(xué)生掌握情況對其今后工作的發(fā)展有重要的影響。為了提高課堂教學(xué)效果，讓學(xué)生帶著問題和自己大膽的想法自愿學(xué)習(xí)這門課，是提高教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵。基于TRIZ創(chuàng)新理論，結(jié)合本門課程內(nèi)容特點，對其中一些實際問題進行剖析，使得學(xué)生更清楚本門課程中污水處理構(gòu)筑物及工藝流程設(shè)計的原理?；赥RIZ創(chuàng)新理論，探索課程考核方式改革向多元化方向發(fā)展，將有助于培養(yǎng)符合新時代要求的創(chuàng)新型復(fù)合人才。