TRIZ的40個發(fā)明原理在大學(xué)物理課程中的體現(xiàn)

武繼江

（山東理工大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院，山東淄博 255000）

高等院校肩負(fù)著為國家培養(yǎng)具有較強創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的應(yīng)用型人才的重任。人才培養(yǎng)是一個系統(tǒng)工程。人才培養(yǎng)以一系列課程為基礎(chǔ)。在課程教學(xué)中，除了進行知識的傳授，加強學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)已成為高校教師的共識。

TRIZ 理論是目前世界公認(rèn)的解決發(fā)明問題的有力工具。為加強學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，有些高校在專業(yè)培養(yǎng)方案的制訂中有意識地開設(shè)了相關(guān)課程。但在當(dāng)前許多課程普遍壓縮學(xué)時的情況下，在培養(yǎng)計劃中增加一門課，在實際操作中也存在一定困難。因此，在一些課程教學(xué)中，把TRIZ 理論融入其中，是一種有益的選擇。目前許多高校的教師在理工科課程教學(xué)中也做了很多有益的嘗試，并取得很好的效果[1-4]。

大學(xué)物理是理工科各專業(yè)學(xué)生的一門必修課，其對學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)具有得天獨厚的優(yōu)勢[5-6]，這是由于TRIZ 創(chuàng)新理論中許多思想和物理學(xué)中的方法是相通的。TRIZ 理論中40 個發(fā)明原理是其最重要的組成內(nèi)容。把這40 個發(fā)明原理應(yīng)用到實際工作中的前提是充分理解這些原理的精髓。若能夠很好地理解這40個發(fā)明原理，并能靈活應(yīng)用，可以說就基本掌握了TRIZ 理論。我們在大學(xué)物理課程教學(xué)中，注意把TRIZ理論的40 個發(fā)明原理融入課程教學(xué)中。在課程教學(xué)中，結(jié)合課程教學(xué)來闡釋這40 個發(fā)明原理，不僅有助于學(xué)生理解這40 個發(fā)明原理，還有助于豐富課程教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

1 TRIZ 的40 個發(fā)明原理在大學(xué)物理課程中的體現(xiàn)

已有相當(dāng)多的文獻對TRIZ 的40 個發(fā)明原理做了詳細(xì)介紹，這里不再贅述，只就其在大學(xué)物理課程教學(xué)中的體現(xiàn)逐一做一定的介紹。

（1）分割原理：在受力分析時，對由多個物體構(gòu)成的力學(xué)系統(tǒng)，可利用隔離法分別對系統(tǒng)的各個部分進行受力分析。

（2）抽取原理：物理學(xué)家對所研究的問題往往突出其主要因素，而忽略次要因素，從而建立起各種理想模型，這符合抽取原理的思想。避雷針也是這一思想的重要體現(xiàn)。

（3）局部質(zhì)量原理：剛體做定軸轉(zhuǎn)動時，其轉(zhuǎn)動慣量與剛體的質(zhì)量分布有關(guān)，為得到較大的轉(zhuǎn)動慣量，柴油機飛輪邊緣的厚度一般要做得厚一些。

（4）非對稱原理：杠桿原理是這一原理的直觀體現(xiàn)。當(dāng)支點在中間時，是對稱的。當(dāng)支點兩邊的長度不同時，會出現(xiàn)杠桿原理。進一步增加這一不對稱性，將會使杠桿作用更加明顯，在實際中可以用很小的力撬動很重的物體。

（5）組合原理：剛體的轉(zhuǎn)動慣量具有可加性。對一個復(fù)雜的剛體，可求出各部分的轉(zhuǎn)動慣量，再把它們加起來就可得到整個剛體的轉(zhuǎn)動慣量。

（6）多功能原理：在熱學(xué)中，外力對絕熱系統(tǒng)做功，可使系統(tǒng)的體積減小，同時也實現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)能的增加。把一個U 型固定導(dǎo)軌放置在時變磁場中，若放置在導(dǎo)軌上的導(dǎo)體桿做切割磁力線運動，則該導(dǎo)體回路就會產(chǎn)生動生電動勢，也產(chǎn)生感生電動勢。

（7）嵌套原理：基于靜電感應(yīng)原理，可使導(dǎo)體空腔產(chǎn)生靜電屏蔽作用。一個導(dǎo)體空腔可保護置于其中的電器不受外部電場的影響，而一個接地導(dǎo)體空腔則可保護空腔外部電器不受空腔內(nèi)帶電體所產(chǎn)生電場的影響。

（8）質(zhì)量補償原理：物理學(xué)中有許多物理規(guī)律反映了這一原理，如阿基米德定律、作用力與反作用力、熱傳遞、對流、磁懸浮和磁約束等。

（9）預(yù)先反作用原理：壓強一定時，壓力與作用面的面積成反比。因此在打樁時，一般要對樁提前做削尖處理。而為了不使一些大型車輛陷入泥潭沼澤中，車輛底盤的面積要做得盡可能大。

（10）預(yù)先作用原理：由于向心力的要求，火車轉(zhuǎn)彎處，兩條軌道不在同一個水平面，外軌要比內(nèi)軌高一些。

（11）預(yù)先防范原理：由動量定理和動能定律可知，雨雪天氣，車輛要小心慢行，以便在緊急情況下能盡快制動。而避免由于共振引發(fā)的橋梁坍塌，軍隊通過橋梁時不要齊步走。

（12）等勢原理：利用連通器原理，可以制作水位計以了解封閉容器中液體的余量情況。

（13）反向作用原理：物體的運動是相對的。對一個系統(tǒng)的運動狀態(tài)進行分析時，為分析的方便，可以假設(shè)某一部分是相對靜止（或運動）的。

（14）曲面化原理：一般情況下，滾動摩擦要小于滑動摩擦，故在地面上滾動物體要比直接推著物體滑動要省力得多。

（15）動態(tài)化原理：高速運動的物體具有很好的穩(wěn)定性。高速運轉(zhuǎn)的陀螺儀就具有很好的定軸性和進動性。騎行的自行車可保持前行而不歪到。當(dāng)構(gòu)成牛頓環(huán)的平凸透鏡和平板玻璃之間的距離發(fā)生相對變化，可觀察到動態(tài)的干涉條紋。

（16）過度或不足作用原理：有限長的螺線管在通電時

管內(nèi)磁場的變化是較復(fù)雜的，但密繞的無限長通電螺線管內(nèi)的磁場則是一個勻強磁場。

（17）多維化原理：單層增透膜只能對某個波長實現(xiàn)增透，若需要對一定寬度的波段實現(xiàn)增透，單層薄膜是無法實現(xiàn)的，需要設(shè)計多層膜。

（18）機械振動原理。這一原理本質(zhì)就是物理學(xué)規(guī)律在發(fā)明中的應(yīng)用。類似的實例還有電磁感應(yīng)爐、共振現(xiàn)象、電磁振蕩、單擺和音叉等。

（19）周期性作用原理：物理學(xué)中有很多的實例契合這一原理，如單擺的周期性運動、熱機的循環(huán)往復(fù)運動、分析求解簡諧振動的旋轉(zhuǎn)矢量法等。

（20）有效作用的連續(xù)性原理：導(dǎo)體棒在磁場中做切割磁力線運動，導(dǎo)體棒兩端產(chǎn)生動生電動勢，可用于發(fā)電，若用導(dǎo)體盤代替導(dǎo)體棒則可提高發(fā)電效率。

（21）緊急行動原理：由于向心力的作用，水桶在豎直平面內(nèi)做圓周運動，當(dāng)速度大于某一值，即使水桶口朝下，水桶里的水也不會灑出來。但速度慢了則無法實現(xiàn)。過山車也是類似原理。

（22）變害為利原理：由于摩擦力的存在，一個機械系統(tǒng)在運轉(zhuǎn)時需要消耗額外的能量，這是摩擦力有害的一個方面。但在諸如機器制動、利用皮帶來運送貨物方面摩擦力卻起著重要的有益的作用。這方面的實例還有共振，共振具有很大的危害，但在實際中也有很多有益的應(yīng)用，如共振篩、用于加熱食品的微波爐等。靜電對一些電子產(chǎn)品具有很強的破壞性，是有害的，但其也可實現(xiàn)靜電除塵、靜電噴涂、靜電復(fù)印等方面的應(yīng)用。

（23）反饋原理：該原理在許多領(lǐng)域都有重要應(yīng)用。抽水馬桶就是基于該原理實現(xiàn)馬桶背箱水位自動復(fù)位。抽水馬桶背箱里有一個杠桿，杠桿一端連著浮筒，一端連著進水控制閥門。當(dāng)水位下降，浮筒也隨之下落進而通過杠桿打開控水閥門，使水注入背箱。隨著水位的上升，浮筒也慢慢升高了，進水閥將逐漸關(guān)小，當(dāng)達到設(shè)定的水位時閥門將關(guān)緊。這一過程可自動完成。一些電容傳感器也是基于反饋原理實現(xiàn)傳感測量的！

（24）中介物原理：當(dāng)一個人的力量無法提起一個較重的物體時，通過利用一定的滑輪組則可以輕松提起。

（25）自服務(wù)原理： 重力在單擺周期性運動的過程中實現(xiàn)了動能和勢能的相互轉(zhuǎn)化。線圈通過自感來保持自身的磁通量。

（26）復(fù)制原理：彈簧振子模型是對復(fù)雜系統(tǒng)振蕩的簡化替代。光電倍增管的工作原理及激光的產(chǎn)生都可看作是復(fù)制原理在物理學(xué)的應(yīng)用。

（27）廉價替代品原理：理想氣體模型是對實際復(fù)雜氣體的替代，實際氣體的許多性質(zhì)可通過研究理想氣體來獲得。

（28）機械系統(tǒng)替代原理：機械系統(tǒng)替代原理是指用各種感官刺激的方法或各種場（電、磁或電磁場等）代替原先的機械系統(tǒng)。物理學(xué)中討論的磁懸浮和磁聚焦就是典型的實例。此外，利用激光束的特性實現(xiàn)機器零件的加工，如打孔、切割、打標(biāo)等，也是該原理的體現(xiàn)。

（29）氣壓與液壓結(jié)構(gòu)原理：該原理在物理學(xué)中的重要體現(xiàn)是帕斯卡定律。千斤頂、液壓制動閥和安全氣囊都是該原理在實際中的應(yīng)用。

（30）柔性殼體或薄膜原理：暖水瓶和兒童用雙層不銹鋼防燙隔熱碗均采用雙層結(jié)構(gòu)來切斷熱量的傳遞。為減小介質(zhì)界面上的反射增加透射，可鍍上一層介質(zhì)膜來實現(xiàn)增透效果。

（31）多孔材料原理：含一定數(shù)量空洞的固體叫多孔材料，是一種由相互貫通或封閉的空洞構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的材料。一定結(jié)構(gòu)的光柵結(jié)構(gòu)、在軍事上具有重要應(yīng)用的頻率選擇表面、 二維光子晶體和當(dāng)前光學(xué)領(lǐng)域研究的超表面都可以看作是多孔材料。蜂窩煤是生活中多孔材料的典型實例。

（32）顏色改變原理：該原理是指通過改變對象或系統(tǒng)的顏色，來提升系統(tǒng)的價值或解決檢測問題。光學(xué)儀器的分辨率與波長成反比，波長越短，分辨率越高。物質(zhì)波的波長非常小，因此電子顯微鏡的分辨率要遠(yuǎn)大于光學(xué)顯微鏡的分辨率。物體的顏色實際是由于反射光線進入我們?nèi)搜酆笏纬傻母杏^。黑色物體能吸收所有光線而白色物體對光線的吸收很少，因此大家一般在冬季穿深色的衣服而夏季穿淺色的衣服。

（33）同質(zhì)性原理：相互作用的兩個物體由同樣的材料制成（或同性質(zhì)的材料）。在一塊玻璃上通過刻劃形成周期性的透光部分和不透光部分就形成了光柵。

（34）拋棄與再生原理：本原理實際是兩條原理合二為一而形成的一個發(fā)明原理。分級火箭所采用的就是拋棄原理，火箭上的助推器在完成其作用后會被拋棄掉以便減輕火箭的質(zhì)量。而蒸發(fā)鍍膜則是再生原理的直接應(yīng)用。

（35）參數(shù)變化原理：利用金屬的居里點特性，當(dāng)溫度升高達一定點時，可使金屬由鐵磁體變?yōu)轫槾朋w。圓孔（或狹縫）衍射時，當(dāng)其尺寸可與波長相比擬時可觀察到明顯的衍射現(xiàn)象，而當(dāng)其尺寸遠(yuǎn)大于波長時觀察到的則是波的直線傳播。再如對超導(dǎo)材料，只有當(dāng)溫度低于臨界溫度時，該材料才是名副其實的超導(dǎo)材料。

（36）相變原理：該原理本身就是一個物理學(xué)原理。如大家熟知的水就有液態(tài)，固態(tài)（冰）和氣態(tài)（水蒸氣）等三種常見的形態(tài)。常溫下二氧化碳是氣體而干冰則是其固體形態(tài)。物體發(fā)生相變時會伴隨著體積的改變或熱量的吸收或釋放。

（37）熱膨脹原理：熱脹冷縮是大家非常熟悉的物理常識。為避免鐵軌由于熱脹冷縮而導(dǎo)致?lián)p壞，通常在鋼軌的接縫處留一點空隙，可以保證在季節(jié)變化或者摩擦生熱過程中，雖然溫度發(fā)生了變化，但鐵軌之間因為有縫隙而不至于被破壞。

（38）強氧化作用：空氣一般是不導(dǎo)電的，具有較大阻抗，但通過把空氣電離可降低空氣的阻抗。

（39）惰性環(huán)境原理：根據(jù)分子運動論，分子間有碰撞。在鍍膜時為減小這種碰撞，需要在真空室中進行。在真空室中，蒸發(fā)出的膜料會很容易地在襯底上形成膜層。再如在一般的懸掛系統(tǒng)中或摩天大樓中都有防止振蕩的阻尼器。

（40）復(fù)合材料原理：空氣是不良導(dǎo)體，在北方，通常采用中空玻璃窗（玻璃+空氣層+玻璃）來實現(xiàn)保暖。

2 結(jié)語

大學(xué)物理是理工科各專業(yè)學(xué)生的一門必須課，為加強學(xué)生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)，我們嘗試?yán)谜n程教學(xué)內(nèi)容來闡釋TRIZ 理論中的40 個發(fā)明原理，并在課程教學(xué)中，探索將這40 個發(fā)明原理融入課程教學(xué)內(nèi)容中。實踐證明，結(jié)合課程教學(xué)內(nèi)容來闡釋這40個發(fā)明原理，不僅有助于于學(xué)生理解和掌握這40 個發(fā)明原理，還豐富了課程教學(xué)內(nèi)容，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有效提升了學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，取得了預(yù)期的教學(xué)效果。