“TRIZ+工程材料與成形技術(shù)”課程教學(xué)改革研究

賈孝偉，陳肖妹，宋衛(wèi)海，李曰陽，劉明明

（山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250199）

高校開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育，能夠培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新意識，鍛煉其創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，提升其職業(yè)競爭力。大學(xué)生經(jīng)過中小學(xué)的基礎(chǔ)教育和大學(xué)的專業(yè)教育，已經(jīng)具備了一定的基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識，思維水平和動手能力得到一定發(fā)展。在創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展戰(zhàn)略實(shí)施背景下，國家要求大學(xué)生必須接受創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育，培養(yǎng)創(chuàng)新思維、創(chuàng)新意識和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。傳統(tǒng)的大學(xué)教學(xué)以傳授專業(yè)課程為主，具有豐富完備的理論知識，但普遍缺少創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育內(nèi)容。高校教育改革的一個重要方向是將創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育與專業(yè)教育結(jié)合，提高學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

1 教學(xué)現(xiàn)狀

工程材料與成形技術(shù)以鐵碳合金、鋼的熱處理及金屬、非金屬材料，以及材料的鑄造、焊接等加工方法為主要內(nèi)容，是機(jī)械相關(guān)專業(yè)的基礎(chǔ)必修課程[1]。單一的工程材料相關(guān)知識、技術(shù)講授，難以激發(fā)學(xué)生對課程的興趣，難以使學(xué)生對相關(guān)技術(shù)的流程和意義產(chǎn)生深刻印象。為提高課程的教學(xué)質(zhì)量，相關(guān)的教學(xué)研究在項(xiàng)目化教學(xué)和OBE 模式教學(xué)方面進(jìn)行了實(shí)踐、探索[2-3]，而將該課程與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育結(jié)合起來的研究則較少。

2 教學(xué)改革措施

作為一門與生產(chǎn)工藝緊密相關(guān)的專業(yè)課程，工程材料與成形技術(shù)課程中涉及的技術(shù)凝結(jié)了許多創(chuàng)新的方法，將其與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育相結(jié)合，能使教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)深度得到有效拓展。為了將工程材料與成形技術(shù)課程與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育融合，在教學(xué)中進(jìn)行了如下改革：

2.1 以TRIZ 理論作為創(chuàng)新教育的依托

TRIZ 理論，也被稱為發(fā)明問題解決理論，是一種根植技術(shù)中的矛盾，解決問題、發(fā)明創(chuàng)新的理論，是在解決技術(shù)問題、進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，與技術(shù)創(chuàng)新密切相關(guān)，被大量用于技術(shù)改進(jìn)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)中[4-7]。TRIZ 理論知識系統(tǒng)完整，有具體的理論知識指導(dǎo)創(chuàng)新，已被廣泛應(yīng)用于創(chuàng)新教學(xué)[8-13]，且有多種相關(guān)教材，具有豐富的教學(xué)實(shí)踐和理論，適合加入專業(yè)課程，進(jìn)行創(chuàng)新教育。

2.2 結(jié)合TRIZ 理論講解專業(yè)知識

作為一門生產(chǎn)技術(shù)類課程，工程材料與成形技術(shù)包含大量的技術(shù)創(chuàng)新，凝聚著豐富的創(chuàng)新方法。結(jié)合TRIZ 理論，對技術(shù)中的創(chuàng)新方法和意義進(jìn)行講解，能夠使學(xué)生對相關(guān)技術(shù)產(chǎn)生深刻印象，理解它們的生產(chǎn)意義，提高教學(xué)內(nèi)容的創(chuàng)新性。

2.3 翻轉(zhuǎn)課堂

因?yàn)檎n堂上要結(jié)合TRIZ 理論講授專業(yè)知識，學(xué)生必須在課前對TRIZ 理論進(jìn)行學(xué)習(xí)。課前教師提供給學(xué)生相關(guān)學(xué)習(xí)材料，使學(xué)生提前學(xué)習(xí)TRIZ 中的發(fā)明原理和物-場模型等知識，為課堂學(xué)習(xí)做好知識準(zhǔn)備。

3 教學(xué)改革設(shè)計(jì)

3.1 發(fā)明原理3（局部質(zhì)量）與材料表面處理結(jié)合

鋼的表面淬火利用感應(yīng)加熱，通過高頻交流電產(chǎn)生的高頻電磁場引發(fā)被處理材料表面產(chǎn)生高溫，冷卻后材料表層產(chǎn)生馬氏體組織，使材料表層硬度提高。熱化學(xué)處理是對表面淬火的加強(qiáng)。鋼材中含碳量不足時，單純表面淬火無法獲得高硬度的馬氏體組織，需要在淬火的過程中通過化學(xué)方式，增加表層材料中硼、碳、氮的含量。經(jīng)過表面淬火和化學(xué)熱處理后的材料，表面硬度明顯提高，耐磨性和接觸疲勞強(qiáng)度得到提高，內(nèi)部的硬度較低，同時保持了良好的韌性和彎曲疲勞強(qiáng)度。兩種熱處理方式使被處理材料原本均勻的組織變得不均勻，材料具有了內(nèi)柔外剛的優(yōu)良性能。TRIZ理論發(fā)明原理3 是打破物體結(jié)構(gòu)的均一性，將材料表面熱處理工藝與發(fā)明原理3 結(jié)合講授，學(xué)生在掌握材料表面熱處理工藝和發(fā)明原理的同時，對表面熱處理有了更深刻的認(rèn)識，對發(fā)明原理也具有了更具體的認(rèn)識。

3.2 發(fā)明原理22（變害為利）與易切削鋼結(jié)合

鋼材中通常含有一定量的硫、磷等成分，它們的存在會使鋼材在特殊狀態(tài)下出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，降低了鋼材的強(qiáng)度和可加工性。因?yàn)榱?、磷等成分能夠降低鋼材的?qiáng)度，而鋼材強(qiáng)度降低能夠提高鋼材的切削性能。在鋼材中加入硫、磷等元素，能提高鋼材的切削性能，制造出易切削的鋼材。切削完成后再處理掉材料中的硫、磷元素，提高材料強(qiáng)度。易切削鋼將硫、磷對鋼材的危害轉(zhuǎn)變?yōu)閮?yōu)勢，是變害為利的典型工程案例。發(fā)明原理22 是變害為利，將其與易切削鋼結(jié)合講授，使學(xué)生了解工程材料的研發(fā)思路，對發(fā)明原理也能有更深入的了解。

3.3 發(fā)明原理35（物理/化學(xué)狀態(tài)變化）與粉末冶金結(jié)合

傳統(tǒng)的金屬材料加工方式需要進(jìn)行較多的切削加工，需要使用硬度高于被加工件硬度的刀具。硬質(zhì)合金為高熔點(diǎn)高硬度碳化物，傳統(tǒng)的金屬材料冶煉和加工方式難以對其進(jìn)行加工。粉末冶金可以直接生產(chǎn)出較高精度的工件，減少后期的加工，尤其適用于硬質(zhì)合金加工。采用粉末冶金制備硬質(zhì)合金，將高熔點(diǎn)碳化物制備成粉末，進(jìn)行成型、燒制，能夠獲得性能優(yōu)良的高精度硬質(zhì)合金工件，再進(jìn)行精加工。粉末冶金的高精度成型提高了硬質(zhì)合金的加工性能，能夠降低生產(chǎn)難度、生產(chǎn)成本。發(fā)明原理35 是通過改變材料的物理狀態(tài)進(jìn)行創(chuàng)新，將其與粉末冶金結(jié)合講授，能夠使學(xué)生對粉末冶金和發(fā)明原理有更具體和深刻的印象。

3.4 發(fā)明原理40 和復(fù)合材料結(jié)合

復(fù)合材料是一種重要的新型工程材料，由基體與增強(qiáng)相組成，且兩者有明顯的分界面，比普通材料具有更好的性能。將發(fā)明原理40 與工程材料中的復(fù)合材料結(jié)合講授，可以讓學(xué)生認(rèn)識多種復(fù)合材料，并了解復(fù)合材料在技術(shù)創(chuàng)新中的作用。

3.5 物-場分析與加工工藝結(jié)合

焊接是一種重要的材料成型技術(shù)，通常將焊槍與被焊接件連到電源的兩極，當(dāng)焊絲與被焊接件之間距離較小時，焊絲與焊件之間會出現(xiàn)高壓電場，電場導(dǎo)致空氣電離產(chǎn)生高溫等離子場，融化焊絲進(jìn)行焊接。當(dāng)焊絲與焊件之間電場電壓過高時會出現(xiàn)較大的電弧，電弧將對焊接質(zhì)量、生產(chǎn)安全造成危害。埋弧焊是一種工藝，能將電弧消除。埋弧焊操作時，焊劑蓋住焊絲、焊件接觸區(qū)，當(dāng)電弧產(chǎn)生時，焊劑蓋滅電弧，焊劑蓋住電弧，就可以提高焊接電壓、焊接效率，焊劑對焊接區(qū)的保溫作用，也能提高焊接質(zhì)量。普通焊接系統(tǒng)由焊絲、焊件和高溫等離子場構(gòu)成一個有效完整的物-場模型，當(dāng)電壓過高產(chǎn)生電弧時，普通焊接系統(tǒng)成為有害效應(yīng)的完整物-場模型。埋弧焊引入第3 種物質(zhì)焊劑來阻止電弧的有害作用，形成一個包括3 個物、1 種場的物-場模型。其他先進(jìn)焊接方法，如電子束焊和激光焊，則通過改變場的類型，加強(qiáng)物-場模型的功能。

熱處理中正火、退火、淬火的不同之處在于改變了物-場模型的結(jié)構(gòu)。正火和退火都使用空氣冷卻，不同之處在于，正火只有空氣、工件和溫度場，退火為了保溫，選擇隨爐冷卻，在空氣、工件和溫度場三者外引入爐體和爐體形成的機(jī)械場進(jìn)行保溫。而淬火為了快速降溫將空氣改為其他介質(zhì)，提高物-場模型的功能。

結(jié)合物-場分析，給學(xué)生講解焊接和熱處理，能夠使學(xué)生深刻了解兩種工藝的特點(diǎn)，并對物-場分析產(chǎn)生直觀的認(rèn)識。

4 考核方法設(shè)計(jì)

工程材料與成形技術(shù)課程考核，除了考查學(xué)生對專業(yè)知識的把握程度，還結(jié)合課堂內(nèi)容，在課程作業(yè)和期末考試中設(shè)置題目，要求學(xué)生分析相關(guān)技術(shù)的生產(chǎn)意義，以及其中包含的創(chuàng)新方法，并設(shè)置部分模擬實(shí)際應(yīng)用場景的題目，要求學(xué)生選擇合適的材料和加工方法完成相關(guān)任務(wù)。

5 結(jié)語

將工程材料與成形技術(shù)課程融入創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的教學(xué)改革措施包括：（1）要求學(xué)生根據(jù)教師提供的教學(xué)資料，在接受專業(yè)知識教育之前，提前學(xué)習(xí)TRIZ 理論，以開展創(chuàng)新教育，提高學(xué)生的專業(yè)知識，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力；（2）為保證專業(yè)教學(xué)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教學(xué)的質(zhì)量，結(jié)合TRIZ 理論講授與課程相關(guān)的技術(shù)，使兩種知識互為補(bǔ)充；（3）注重考查學(xué)生對專業(yè)知識和創(chuàng)新方法的運(yùn)用能力，提高學(xué)生學(xué)以致用的專業(yè)能力。在“TRIZ+工程材料與成形技術(shù)”課程教學(xué)改革實(shí)踐過程中，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣得到提高，過程性和期終考核表現(xiàn)較為理想，教學(xué)改革有效促進(jìn)了課程教學(xué)效果的提高。