TRIZ理論在理工科大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練中的應(yīng)用

李相曄，于海濛

（山東理工大學(xué)，山東淄博 255000）

1 TRIZ理論簡介

TRIZ理論意為“發(fā)明問題解決理論”，通過尋求每個發(fā)明問題解決方案背后的規(guī)律，快速地解決在學(xué)習(xí)、生產(chǎn)及科研中遇到的各種問題。TRIZ理論已被應(yīng)用于教育、管理等多個領(lǐng)域，在公司、各類院校中得到廣泛應(yīng)用[1-3]。不過，目前TRIZ理論的應(yīng)用仍主要集中于技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域。如何把TRIZ理論應(yīng)用到學(xué)生培養(yǎng)過程中，將之整合到教學(xué)、科研工作中，對于專業(yè)性的創(chuàng)新型人才培養(yǎng)、促進高等教育人才培養(yǎng)機制與模式變革有重要意義。

TRIZ理論從1946年產(chǎn)生至今，經(jīng)過了不同的發(fā)展階段，現(xiàn)已從經(jīng)典TRIZ理論逐漸發(fā)展為現(xiàn)代TRIZ理論，并發(fā)展出了許多強大的解析問題的工具，如功能分析、因果分析、剪裁等，基本克服了經(jīng)典TRIZ理論的缺陷?，F(xiàn)代TRIZ理論解決實際問題的典型過程是“問題識別”“問題解決”“概念驗證”。在“問題識別”的初級階段，注重對問題做全面剖析；在“問題解決”階段，先把上一階段分析得出的關(guān)鍵問題轉(zhuǎn)換為TRIZ理論中的問題模型，接著利用TRIZ工具尋找解決問題的策略與模型，最后再轉(zhuǎn)化為具體的解決方案；在“概念驗證”階段，主要是對上一階段得到的具體解決問題的方案做出可行性評價[4]。

2 將TRIZ理論應(yīng)用于大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練中的意義

大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練指的是學(xué)生個人或團隊在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨立地進行創(chuàng)造性科學(xué)研究項目的方案設(shè)計、具體執(zhí)行、科研報告撰寫、研究成果分享交流等工作，是高校創(chuàng)新教育的重要組成部分，是鍛煉學(xué)生綜合能力，特別是創(chuàng)新能力的有效載體。在創(chuàng)新訓(xùn)練項目實施過程中融入TRIZ理論，有助于學(xué)生提高自主創(chuàng)新意識，主動尋求創(chuàng)新。

創(chuàng)新需要知識，也需要想象力，更需要方法，創(chuàng)新的關(guān)鍵在方法。相對于傳統(tǒng)的創(chuàng)新方法，TRIZ理論擁有一個完善的理論體系和解決問題的流程，是高效解決問題的方法論，其規(guī)律性很強，易于推廣[5,6]。學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)TRIZ理論，并將其應(yīng)用于創(chuàng)新訓(xùn)練實踐中，有助于學(xué)生更好地提升創(chuàng)新能力，完成從“要創(chuàng)新”到“會創(chuàng)新”的轉(zhuǎn)變，成長為具有專業(yè)知識的創(chuàng)新型人才。

3 TRIZ理論應(yīng)用于大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練中的實踐案例

本文以一種無機-有機雜化的核殼納米吸附劑制備方案的改進為例，分析將TRIZ方法應(yīng)用于大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目的具體途徑。本文的研究對象是聚甲基丙烯酸N,N-二甲氨基乙酯（PDMAEMA）和鐵改性的介孔硅納米顆粒（FeOH@MSN-PDMAEMA），其具體的合成步驟如圖1所示。首先在模板劑十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）、催化劑氫氧化鈉存在的條件下，硅源正硅酸乙酯（TEOS）水解后經(jīng)洗滌、干燥、煅燒得到介孔硅納米顆粒（MSNs），然后利用硅烷偶聯(lián)劑KH570對MSNs表面改性，再在改性后的MSNs表面經(jīng)自由基聚合后包覆一層PDMAEMA聚合物層，得到核殼納米顆粒，最后在顆粒內(nèi)部沉積FeOH而得到最終產(chǎn)物，用于吸附水中陰離子污染物。以此為研究對象，運用TRIZ理論，改進其制備方案，提高吸附劑的吸附速率和飽和吸附率。

首先利用功能分析工具創(chuàng)建功能模型并尋找問題，將問題轉(zhuǎn)化成TRIZ語言，然后分別使用TRIZ工具尋找相應(yīng)的解決方案。本文主要通過以下三個基本思路進行方案的改進：利用39個參數(shù)與40條發(fā)明原理、運用物場分析的方法、運用思維方法之一的九屏幕法。

3.1 功能分析

功能分析是剖析問題的一種工具，同時也具備辨別系統(tǒng)和超系統(tǒng)之間組件性能、特點及內(nèi)在因素的特點。功能分析分為構(gòu)成要素分析、交互分析和功能模型三部分。構(gòu)成要素分析是指區(qū)分和分類羅列系統(tǒng)與超系統(tǒng)的組成要素；交互分析是識別構(gòu)成要素之間相互作用，為以后構(gòu)建功能模型奠定基礎(chǔ)；功能模型應(yīng)識別構(gòu)成要素之間的具體性能特點，并根據(jù)其運行功能的性能進行評價，以形成功能模型圖。本案例中將“無機-有機雜化的核殼納米吸附劑的制備方案改進”定義為一個技術(shù)系統(tǒng)，其功能定義為：制備吸附劑。

3.1.1 構(gòu)成要素分析

構(gòu)成要素分析又叫組件分析，其中組件是指構(gòu)成系統(tǒng)或超系統(tǒng)的局部，可以是一種物質(zhì)也可以是其中的一種結(jié)構(gòu)，在做組件分析時首先要做的事是根據(jù)項目的方向和邊界選擇適當(dāng)?shù)募墑e。本案例的研究對象是以介孔硅為代表的無機-有機核殼結(jié)構(gòu)納米顆粒吸附劑，它的部件層級是模板劑CTAB、硅源TEOS、蒸餾水、氫氧化鈉溶液、KH570、PDMAEMA、六水氯化鐵等。而超系統(tǒng)組件共有三個，分別是反應(yīng)器、實驗臺面、水中陰離子的條件。

3.1.2 交互分析

交互分析結(jié)果如表1所示。兩兩分析組件，彼此觸及的用“+”，后面需要進一步分析具體功能是什么；而“-”則表示沒有相互接觸；“/”表示同一組件之間。

確定了吸附劑各組件之間的關(guān)聯(lián)作用程度之后，對各組件進行功能定義。根據(jù)TRIZ理論，選擇合適準(zhǔn)確的動詞來展現(xiàn)功能運轉(zhuǎn)體和作用對象之間的關(guān)聯(lián)，詳見表2。

表1 吸附劑系統(tǒng)的相互作用分析

表2 功能組件及其功能

表3 問題轉(zhuǎn)化表

3.1.3 功能模型

對已明確的技術(shù)系統(tǒng)中所提供的各部分組件進行功能的歸類和剖析，確定該功能是否為主要、次要或附加功能中的一種，隨后分析重要部件之間自身的性能對介孔硅的制備以及改性所做出的貢獻，并聯(lián)系系統(tǒng)中存在的有效或無益功能的關(guān)系，斷定各組件的性能水平。

確定了功能組件及其功能后，用功能模型圖來表示上述各組件之間的關(guān)系，如圖2所示。不同的形狀圖形代表著不同的組件，而不同的線段箭頭表示各組件之間的功能描述以及它起作用的功能等級。模板劑、硅源以及溶劑三者之間通過界面作用，在水解、縮聚的條件下進行自組裝進而生成有序的介孔硅。

通過分析本實驗室已有的吸附劑制備方法以及對吸附性能的研究，結(jié)合上圖所建立的功能模型，得出其中存在的主要問題有：

（1）初步合成的MSN的孔徑過小，使最后得到的吸附劑負(fù)載能力較差，故制備MSN時三種原料之間的反應(yīng)功能表現(xiàn)為不足。

（2）采用模板法制備MSN，然后通過煅燒除去模板劑。如何在保證MSN孔道結(jié)構(gòu)完整的前提下有效去除模板劑，進而保證吸附劑的吸附性能？

（3）采用KH570對MSN進行改性。是否有其他改性方式？

3.2 利用TRIZ工具得到改進方案

3.2.1 運用39個參數(shù)和40條原理

將關(guān)鍵點轉(zhuǎn)化成關(guān)鍵問題，需進一步尋找合理的方案，并找出其中可能存在的矛盾，詳見表3。

基于上述的問題與矛盾尋找解決問題的方法，可以看出改善或惡化的參數(shù)分別是：10（力）、13（結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性）、17（溫度）、23（物質(zhì)損失）、26（物質(zhì)或事物的數(shù)量）、36（裝置的復(fù)雜性）。對應(yīng)查看矛盾矩陣可以得出的參考發(fā)明原理是：3（局部質(zhì)量的部分改變）、7（嵌套）、10（預(yù)先作用）、24（中介物）、39（惰性環(huán)境）。

根據(jù)上述參數(shù)，從40條原理中找到相應(yīng)的解決措施：

（1）使用3（局部質(zhì)量的部分改變）：通過改變反應(yīng)物配比，使制備MSN時物質(zhì)反應(yīng)發(fā)生改變，最終為大孔徑的MSN。

（2）使用7（嵌套）：改性劑KH570，可否用其他物質(zhì)或基團代替。擬使用嵌套KH550對MSN進行改性，使MSN表面修飾氨基的同時帶正電，并增加顆粒分散性。

（3）使用10（預(yù)先作用）：在脫出模板劑時可以通過預(yù)先作用，首先在低溫時進行焙燒增強顆粒骨架強度，然后再高溫氧化脫除便能減小一部分對結(jié)構(gòu)之間的破壞。

（4）使用24（中介物）：通過加入其他物種來擴孔，比如加入擴孔劑三甲苯等。

（5）使用39（惰性環(huán)境）：在除去模板劑時采用溫和條件，減少對顆?？椎赖钠茐模缥⒉摮?。

3.2.2 運用物場分析

物場分析同樣是TRIZ理論中一個對問題進行描述和分解剖析的工具。功能運轉(zhuǎn)體S1、功能操作體S2和場F是物場模型理論所考慮的、所有技術(shù)系統(tǒng)都應(yīng)具有的三個基本元素。運用物場分析理論同樣可以得到一些改變的方法。本案例的功能載體是水中陰離子雜質(zhì)，功能作用體為介孔硅吸附劑、場是兩者之間作用力——靜電引力。對于“不充分的完整模型”的解決方法，可以通過引入第二個場增加有用效應(yīng)、引用第二個場和第三個物質(zhì)增加有用效應(yīng)、引入第二個場或第二個場和第三個物質(zhì)取代原來場或原來場和物來處理。

通過引入第二個場，比如機械場，可以增強振動能力，使得分子與分子之間更加迅速運動，因而提高吸附效率，如圖3所示。通過引入第二個物質(zhì)，比如在介孔硅中接枝上陽離子，可以增強介孔硅與水中陰離子的吸附能力，因而提高吸附量。

TRIZ理論的方法和工具很多，本文所做分析只是其中很小一部分，可以選用不同的角度進行分析，求得多種問題解，進而選出最優(yōu)解。

4 結(jié)語

本文通過案例分析，運用TRIZ理論創(chuàng)新方法對大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練具體項目的實施方案進行研究，以探討將TRIZ理論應(yīng)用于大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目中的可能性，并在此過程中進一步培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力，為高校創(chuàng)新型人才培養(yǎng)探索新途徑。