運(yùn)用TRIZ理論探索并解決化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的若干問題

左士祥，孫雪妮，韶暉

（常州大學(xué) 石油化工學(xué)院，江蘇 常州）

化工原理課程體系由化工原理、化工原理課程設(shè)計(jì)、化工原理實(shí)驗(yàn)三個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)組成?；ぴ碚n程是高校大化類專業(yè)的核心專業(yè)基礎(chǔ)課，是連接基礎(chǔ)知識與工程應(yīng)用的紐帶[1-2]?；ぴ韺?shí)驗(yàn)教學(xué)則是必修基礎(chǔ)技術(shù)課，是整個(gè)體系中十分重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)?；ぴ韺?shí)驗(yàn)不僅是對理論教學(xué)內(nèi)容的驗(yàn)證，還可以幫助學(xué)生樹立正確的工程觀念、培養(yǎng)學(xué)生分析和解決實(shí)際問題的能力、加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力[3]。

2017年2月，教育部開始積極推進(jìn)新工科建設(shè)，以形成領(lǐng)跑全球工程教育的中國模式[4]。在“新工科”的建設(shè)背景下，各大高校開始積極開展化工原理課程體系教學(xué)改革的探索，以滿足我國對工程人才的需求?，F(xiàn)階段，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革方面，大部分教師還是依賴自身教學(xué)經(jīng)驗(yàn)去發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。雖然這些探索對化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革有一定的促進(jìn)作用，但也存在一些明顯的弊端。例如：我們只能依靠教師每次發(fā)現(xiàn)了問題之后再去逐一解決，而不能科學(xué)、系統(tǒng)地去分析問題，防患于未然；若發(fā)現(xiàn)的問題過于零散，教師可能需要數(shù)次嘗試才能找到解決問題的有效方法，等等。

TRIZ是俄文Teoriya Resheniyva Izobretatel’skikh Zadatch的縮寫，意思是發(fā)明問題解決理論，由阿奇舒勒于1956年創(chuàng)立[5]。TRIZ理論源于工程技術(shù)領(lǐng)域，從發(fā)展至今已經(jīng)成為一套有效的科學(xué)理論，讓人們不用再盲目地去尋找方法，讓解決問題變得有規(guī)律可循。本研究首先借鑒了TRIZ理論中的分析方法，采用功能分析對自定義的化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系進(jìn)行問題識別。之后采用因果鏈工具篩選提煉出一些關(guān)鍵性問題，最后針對這些關(guān)鍵問題，采用物—場模型，從TRIZ的標(biāo)準(zhǔn)解系統(tǒng)中有針對性地去尋找解決方案。本文科學(xué)分析、識別了化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中所存在的問題，針對一些關(guān)鍵問題給出較合理的解決方法，對“新工科”背景下教育教學(xué)改革進(jìn)行了一次有效的探索，也為工程學(xué)科的教學(xué)改革提供一個(gè)科學(xué)的分析方法。

一 深入分析化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在的問題

TRIZ理論解決問題的經(jīng)典過程可分為三個(gè)步驟，分別是：問題識別、問題解決和概念驗(yàn)證[6]，如圖1所示。問題識別階段，將針對一個(gè)工程系統(tǒng)展開較全面的分析，從而得出一系列關(guān)鍵問題；在分析出關(guān)鍵問題之后，就進(jìn)入問題解決的環(huán)節(jié)。在此階段將關(guān)鍵問題轉(zhuǎn)化為一些問題模型，然后產(chǎn)生解決方案；最后，在概念論證環(huán)節(jié)，針對上一階段得出的解決方案進(jìn)行可行性評估，最終篩選出最佳解決方案。TRIZ理論為每一個(gè)階段都提供了一系列的工具作為支撐，可根據(jù)具體問題來選擇所需要的TRIZ工具[7]。在問題識別階段，主要有功能分析、流分析、因果鏈分析、進(jìn)化趨勢分析等多個(gè)工具。其中，功能分析工具是一個(gè)經(jīng)典的問題分析工具，也是后續(xù)許多TRIZ工具的基礎(chǔ)。功能分析又可分為三部分，即組件分析、相互作用分析和功能模型。運(yùn)用功能分析工具可以識別出各種系統(tǒng)中的組件，分析組件的特點(diǎn)及組件之間的相互作用，并建立模型評估每一個(gè)組件的性能，最后根據(jù)評估結(jié)果確定有性能問題的組件。

圖1 TRIZ理論解決問題的一般步驟

（一） 組件分析

第一步，我們先借鑒TRIZ的概念來自定義一個(gè)符合化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的體系。整個(gè)教學(xué)體系被稱為一個(gè)超系統(tǒng)，里面包含了一個(gè)工程系統(tǒng)和若干個(gè)超系統(tǒng)組件。其中，工程系統(tǒng)是我們的研究對象合集，而超系統(tǒng)組件則是被研究對象之外的組件。在化工原理實(shí)驗(yàn)課程中，教師和學(xué)生是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的主體，也是教改的主要研究對象，即工程系統(tǒng)中的組件。而實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)操作、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及實(shí)驗(yàn)問題，雖然不是我們教學(xué)研究的主體，但他們都與研究對象及教學(xué)成果有著相互影響，因此它們就被定義為超系統(tǒng)組件。至此，我們就完成了對化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系的組件分析。

（二） 相互作用分析

第二步，在組件分析后，我們便可以進(jìn)行相互作用分析，識別出各組件之間的相互影響。我們針對前面所定義的化工原理實(shí)驗(yàn)體系中的各組件進(jìn)行分析，得到一個(gè)相互作用矩陣，如表1所示。在這個(gè)矩陣中將各組件列出，之后兩兩分析看二者有無相互作用，如果兩者有相互作用，則以“+”來標(biāo)記，否則以“-”來標(biāo)記。需要注意的是，這里的相互作用并不是單純地只有實(shí)體接觸，若存在場作用也被認(rèn)為是有相互作用的。例如：教師和實(shí)驗(yàn)原理之間，雖然沒有實(shí)質(zhì)性接觸，但是教師需要通過描述或畫圖舉例對實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行講解，這其中就有聲音、視覺等“場”的作用，那么我們就認(rèn)為教師和實(shí)驗(yàn)原理之間是存在相互作用的。在得到相互作用分析矩陣后，表格中有“+”標(biāo)記的意味著可能存在功能。

（三） 功能模型建立

第三步，我們針對表1中每一個(gè)標(biāo)注有“+”的單元分析具體功能，并給這些功能進(jìn)行分類。依照TRIZ理論功能分類標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)功能的不同作用對象，我們給出化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中的相互作用的功能及功能的性能水平，如表2所示。將表2進(jìn)行圖形化后就得到功能模型圖（圖2），從圖中我們就可以一目了然地對實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系有一個(gè)整體的了解，也可以馬上發(fā)現(xiàn)體系中存在的問題。通過功能分析，我們發(fā)現(xiàn)化工原理實(shí)驗(yàn)課程系統(tǒng)中存在較多的不足功能，包括：教師在原理方面的講解不夠深入、學(xué)生對實(shí)驗(yàn)操作的完成度偏低、學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果和問題討論的能力不足等。而有害的功能則有：學(xué)生對教師的過分依賴以及學(xué)生錯(cuò)誤實(shí)驗(yàn)操作導(dǎo)致的實(shí)驗(yàn)問題。

圖2 化工原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能性能表

表1 化工原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)相互作用分析表

表2 化工原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)功能性能表

（四） 分析挖掘教學(xué)關(guān)鍵問題

通過功能分析能找到性能不足或者有害的組件，接下來，我們將采用因果鏈工具進(jìn)行深層分析，形成如圖3的鏈?zhǔn)椒治鰣D并挖掘出潛在的關(guān)鍵問題。根據(jù)之前的分析，化工原理實(shí)驗(yàn)現(xiàn)階段存在的表面問題（或初始缺點(diǎn)）是實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果差，導(dǎo)致這一初始缺點(diǎn)的直接原因有兩個(gè)，一方面是實(shí)驗(yàn)課上學(xué)生對實(shí)驗(yàn)操作的完成度較低，另一方面則是實(shí)驗(yàn)完成后同學(xué)們?nèi)狈栴}的分析和解決能力。這兩個(gè)問題就是處于第二層的缺點(diǎn)。之后針對這兩個(gè)問題，繼續(xù)挖掘下一層直接原因。例如：為什么同學(xué)們對于問題的分析和解決能力存在不足？引起這一問題的原因可能是理論基礎(chǔ)薄弱，也可能是理論應(yīng)用能力欠缺，也可能是缺乏工程觀念等等。我們重復(fù)上述步驟，一層層向下挖掘更深層的問題，并結(jié)合具體項(xiàng)目找出末端缺點(diǎn)。

從分析結(jié)果看出，引起實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不足的原因很多，有些是學(xué)生本身的原因，有些是教師引起的，還有一些是客觀因素。我們通過篩選列出幾個(gè)關(guān)鍵性的問題：①學(xué)生對于化工原理實(shí)驗(yàn)的重視性不足，從而造成同學(xué)積極性不高，對實(shí)驗(yàn)操作及后續(xù)的結(jié)果分析討論敷衍了事；②教師在實(shí)驗(yàn)過程中過度指導(dǎo)，導(dǎo)致同學(xué)過分依賴?yán)蠋煟鄙倭俗约簞?dòng)手探索的過程；③客觀因素，比如實(shí)驗(yàn)課課時(shí)較少，時(shí)間不夠，裝置不能與時(shí)俱進(jìn)。

二 解決化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的關(guān)鍵性問題

分析完體系中存在的問題后，我們開始著手尋找有效的解決方案。在此，我們選擇的是借鑒TRIZ理論中的物—場模型。基于物—場模型，一個(gè)完整的體系至少應(yīng)該由三個(gè)基本元素構(gòu)成，包括兩個(gè)物質(zhì)（substance）和一個(gè)場（field）。其中，S1為被生產(chǎn)、被控制、被測量的物質(zhì)；S2為進(jìn)行生產(chǎn)、控制、測量的物質(zhì)；F為這兩種物質(zhì)之間的作用。

圖3化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)問題的因果鏈分析物一場模型共有四大分類：①有效完整模型；②不完整模型；③非有效完整模型；④有害效應(yīng)的完整模型[8]。TRIZ對于后面三種模型，給出了一系列標(biāo)準(zhǔn)解法。在化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系中：S1為學(xué)生，S2為教師，F(xiàn)為教學(xué)場。顯然，教學(xué)過程中存在著有害的效應(yīng)，即功能的3個(gè)元素齊全，但產(chǎn)生了與設(shè)計(jì)者所追求的效應(yīng)相左的、有害的效應(yīng)。教師的過度指導(dǎo)造成了學(xué)生的依賴性，降低了學(xué)生的工程實(shí)踐能力。對于這一有害效應(yīng)，我們嘗試應(yīng)用TRIZ理論中的標(biāo)準(zhǔn)解12對此體系進(jìn)行改進(jìn)[9]?；跇?biāo)準(zhǔn)解12的提示，我們可以搭建化工原理實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)課程平臺，同學(xué)們通過觀看微課視頻來了解實(shí)驗(yàn)的原理、設(shè)備、工程原型等等。此外，以我校的化工國家級虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心為依托，還可以嘗試采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)VR讓同學(xué)們實(shí)景沉浸體驗(yàn)虛擬實(shí)驗(yàn)操作。這不但能降低學(xué)生對于教師的依賴性，還能調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性和主動(dòng)性。

圖3 化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)問題的因果鏈分析物

此外，學(xué)生分析、解決問題的能力偏弱也是造成實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不好的一個(gè)重要因素。此時(shí)，學(xué)生與實(shí)驗(yàn)問題形成的是一個(gè)非有效完整模型。在此，我們嘗試應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)解14來對教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行改性，即將單一的物—場模型轉(zhuǎn)化為鏈?zhǔn)轿铩獔瞿Ｐ??；跇?biāo)準(zhǔn)解14的提示，化工原理教學(xué)體系應(yīng)該是一種鏈?zhǔn)轿铩獔鱿到y(tǒng)，即由理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證和實(shí)踐環(huán)節(jié)共同組成，且層層遞進(jìn)，形成一個(gè)完整的教學(xué)鏈。所以在前期化工原理課程的教學(xué)中，授課教師需要注重在理論教學(xué)中多結(jié)合實(shí)際工程案例，以進(jìn)一步加強(qiáng)學(xué)生的工程觀念。

三 結(jié)語

本研究創(chuàng)新借鑒了TRIZ理論中的分析方法去科學(xué)識別高?；ぴ韺?shí)驗(yàn)教學(xué)中存在的問題，針對一些關(guān)鍵問題給出較合理的解決方法，對“新工科”背景下教學(xué)改革進(jìn)行了一次有效的探索。在未來的化工原理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們將繼續(xù)貫徹“新工科”的教育理念，利用現(xiàn)代化教學(xué)手段，全面提高學(xué)生的專業(yè)知識、實(shí)踐能力和創(chuàng)新意識。