基于TRIZ理論的工程訓(xùn)練教學(xué)改革探索

陶來華　李增芳　陳楠　沈恬逸　葉珂語

摘 要：以新工科教育理念為指導(dǎo)，基于TRIZ理論構(gòu)建了“理、實(shí)、賽”融合與“通、專、創(chuàng)”并舉的工程訓(xùn)練課程體系，進(jìn)行“課賽結(jié)合、虛實(shí)結(jié)合、學(xué)用結(jié)合”PBL教學(xué)模式的探索。根據(jù)工程項(xiàng)目形式重構(gòu)教學(xué)內(nèi)容，以虛實(shí)、學(xué)用相結(jié)合方式創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)方法，并依托工程訓(xùn)練支撐平臺(tái)完成創(chuàng)新作品的構(gòu)思、設(shè)計(jì)與制作。實(shí)踐證明新的工程訓(xùn)練教學(xué)體系有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升學(xué)生的工程素養(yǎng)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

關(guān)鍵詞：工程訓(xùn)練 TRIZ理論 創(chuàng)新實(shí)踐 人才培養(yǎng)

中圖分類號(hào)：F240? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-4914（2024）02-211-03

一、引言

工程訓(xùn)練是面向高等院校學(xué)生開展的與工程意識(shí)、工程技能、工程素質(zhì)以及工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)相關(guān)的一系列實(shí)踐活動(dòng)，是高校工程訓(xùn)練中心的核心業(yè)務(wù)，其教育理念、育人體系和質(zhì)量直接影響著教學(xué)目標(biāo)達(dá)成和工程訓(xùn)練中心發(fā)展[1]。教育部重塑“新工科”建設(shè)構(gòu)想，在新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量和新體系5個(gè)方面對工程教育提出了新要求，強(qiáng)調(diào)人才培養(yǎng)模式改革的重點(diǎn)是強(qiáng)化多方協(xié)同育人、多學(xué)科交叉融合、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、個(gè)性化等方面的建設(shè)；培養(yǎng)一批具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、跨界整合能力、高素質(zhì)的學(xué)科交叉復(fù)合型卓越工程科技人才，其中創(chuàng)新是新工科建設(shè)的重要特征，強(qiáng)調(diào)高校要充分利用資源優(yōu)勢，加快構(gòu)建大學(xué)生工程訓(xùn)練創(chuàng)新平臺(tái)[2-3]。

目前工程訓(xùn)練教學(xué)過程依然存在著諸多問題，比較典型的有工程訓(xùn)練教學(xué)不能很好滿足新工科人才培養(yǎng)的需求，與國家推進(jìn)新工科建設(shè)進(jìn)展相比，教學(xué)改革相對滯后，在主動(dòng)對接新工科人才培養(yǎng)上意識(shí)淡薄；還有支撐新工科人才培養(yǎng)平臺(tái)偏弱，工程訓(xùn)練中心建設(shè)也相對滯后，大部分教學(xué)設(shè)備以傳統(tǒng)金工、機(jī)械、電工電子為主，而機(jī)電結(jié)合、設(shè)計(jì)與工藝結(jié)合以及理工文管結(jié)合等跨學(xué)科的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)則相對較弱，未能實(shí)現(xiàn)智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的智能制造及創(chuàng)新性的個(gè)性化設(shè)計(jì)與制作，無法實(shí)現(xiàn)對學(xué)生創(chuàng)新思維、學(xué)科交叉、工程意識(shí)以及工程實(shí)踐能力的培養(yǎng)[4]；再有實(shí)踐教學(xué)模式亟待優(yōu)化，傳統(tǒng)工程訓(xùn)練體系和實(shí)踐教學(xué)模式比較老化、實(shí)踐手段單一，知識(shí)、實(shí)踐、創(chuàng)新與能力培養(yǎng)缺少深度融合，無法有效促進(jìn)知識(shí)向能力的轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致學(xué)生工程能力較弱，還未形成以滿足學(xué)以致用、自主學(xué)習(xí)、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)為主體的實(shí)踐教學(xué)模式[5]。近年來，很多高校都在圍繞新工科教育理念進(jìn)行工程訓(xùn)練教學(xué)體系重構(gòu)研究。本文以浙江水利水電學(xué)院列入省應(yīng)用型建設(shè)試點(diǎn)示范院校為契機(jī)，從新工科對人才培養(yǎng)的整體要求出發(fā)，按照知識(shí)、能力、素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展的原則，以工程素質(zhì)培養(yǎng)為核心，以工程實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力達(dá)成為主線，從簡單到復(fù)雜，從一般到先進(jìn)，從單一到綜合，進(jìn)行多層次、多模式的實(shí)踐教學(xué)模塊建設(shè)和教學(xué)內(nèi)容改革；探索基于TRIZ理論實(shí)施“課賽結(jié)合、虛實(shí)結(jié)合、學(xué)用結(jié)合”的PBL教學(xué)模式，并通過其一典型教學(xué)案列的具體實(shí)踐，驗(yàn)證工程訓(xùn)練教學(xué)改革的效果。

二、TRIZ理論分析

根里奇·阿奇舒勒（G.S.Altshuller）通過研究全人類近300萬件偉大的發(fā)明專利，總結(jié)這些發(fā)明的普適性與獨(dú)特性規(guī)律，并于1946年提出TRIZ——“創(chuàng)新性問題的解決理論”，TRIZ是基于知識(shí)體系、面向人的創(chuàng)新性問題解決系統(tǒng)化方法[6]。TRIZ汲取大量自然科學(xué)及應(yīng)用工程中的成效知識(shí)，包括技術(shù)本體或環(huán)境、制度、過程及發(fā)展，是基于知識(shí)體系面向人的啟發(fā)式方法；TRIZ在問題分析中采用了普適及詳細(xì)的模型，模型的核心是系統(tǒng)化知識(shí)，用更好的已有知識(shí)系統(tǒng)化解決過程問題；創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程中的沖突解決步驟是未知的，為了取得合理的創(chuàng)新解，往往采用虛構(gòu)的理想解代替直接解，而理想解可以通過系統(tǒng)本體或環(huán)境資源獲取，也可以通過推理系統(tǒng)演化趨勢來獲取，亦TRIZ是發(fā)明問題的解決理論[7]。

TRIZ蘊(yùn)含一套成型可復(fù)制的創(chuàng)新理論，被證實(shí)在培養(yǎng)創(chuàng)新思維和能力方面有顯著成效，是一種創(chuàng)新人才行之有效的培養(yǎng)模式，深受國內(nèi)外知名企業(yè)青睞，目前已于中國航空、徐工、波音和福特等企業(yè)推廣應(yīng)用。隨著國內(nèi)高等教育的快速發(fā)展，伴隨著新工科教育理念對創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、跨界整合能力、高素質(zhì)學(xué)科交叉復(fù)合型等人才培養(yǎng)要求的不斷深入，TRIZ理論逐漸在高等教育研究領(lǐng)域興起。作為一種新的教育方法理論，高等教育研究者正通過一系列的改革、探索和實(shí)踐，挖掘TRIZ理論與高素質(zhì)人才培養(yǎng)的聯(lián)結(jié)點(diǎn)[8]。在大學(xué)生工程訓(xùn)練教學(xué)中引入TRIZ理論并構(gòu)建新教學(xué)模式，本文以浙江水利水電學(xué)院校工程訓(xùn)練教學(xué)中學(xué)生團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)“無序異形物品抓取機(jī)械手”為例，使學(xué)生領(lǐng)悟TRIZ理論內(nèi)涵原理和創(chuàng)新性問題的解決方法，扭轉(zhuǎn)慣性思維，切實(shí)提高創(chuàng)新意識(shí)、分析問題和解決問題能力[9]。

三、基于TRIZ理論工程訓(xùn)練課程體系設(shè)計(jì)

工程訓(xùn)練教學(xué)過程重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)以產(chǎn)出為導(dǎo)向、注重持續(xù)改進(jìn)的OBE模式，培養(yǎng)學(xué)生綜合工程能力為目標(biāo)，構(gòu)建“創(chuàng)新設(shè)計(jì)—數(shù)字制造—軟件控制—機(jī)電集成—樣機(jī)演示”的創(chuàng)新能力訓(xùn)練鏈條。其與TRIZ體現(xiàn)創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力培養(yǎng)為內(nèi)核，解決實(shí)際過程創(chuàng)新問題的思想高度吻合。TRIZ流程是首先定義待解決的特殊問題，然后依據(jù)TRIZ理論選取分析方法，并將特殊問題轉(zhuǎn)化為類似一般問題，再選用TRIZ解題工具得出一般性問題的解決方法，最后通過組合系統(tǒng)的內(nèi)在聯(lián)系尋找特殊問題的解決方案。構(gòu)建創(chuàng)新能力訓(xùn)練鏈條本質(zhì)上就是教學(xué)體系的設(shè)計(jì)，這與發(fā)明創(chuàng)造的創(chuàng)新性問題完全一致，出發(fā)點(diǎn)都是解決系統(tǒng)內(nèi)的矛盾問題。綜上所述，基于TRIZ理論的有關(guān)解題工具，創(chuàng)建新的工程訓(xùn)練教學(xué)體系完全可行。

工程訓(xùn)練教學(xué)體系直接影響人才培養(yǎng)質(zhì)量，不斷優(yōu)化體系設(shè)計(jì)是一項(xiàng)待解決的特殊問題；工程訓(xùn)練課程體系則是優(yōu)化教學(xué)體系的重要途徑，設(shè)計(jì)符合育人目標(biāo)的課程體系是解決系統(tǒng)問題的有力方法；教學(xué)平臺(tái)作為課程實(shí)施的支撐，建設(shè)有特色平臺(tái)是一項(xiàng)解決問題的有效工具；采用實(shí)踐教學(xué)、科研項(xiàng)目和學(xué)科競賽相結(jié)合的PBL教學(xué)模式[10]，為特殊問題提供解決方案。本文以浙江水利水電學(xué)院為例，基于TRIZ理論創(chuàng)建新的工程訓(xùn)練課程體系如圖1所示。

四、工程訓(xùn)練新教學(xué)模式實(shí)踐

基于PBL的工程訓(xùn)練教學(xué)模式，以學(xué)生團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)“無序異形物品抓取機(jī)械手”為例，闡述TRIZ理論在工程訓(xùn)練教學(xué)過程中的具體應(yīng)用。

（一）明確特殊問題

機(jī)械手主要分為電動(dòng)式機(jī)械手和壓力（液壓或氣壓）機(jī)械手，電動(dòng)式機(jī)械手以小型輕載為主；壓力式機(jī)械手具有負(fù)載大、響應(yīng)快、密封好等特點(diǎn)，兩者在物料分揀領(lǐng)域都被廣泛應(yīng)用[11]。但是目前市場上的機(jī)械手抓取對象形狀和規(guī)格單一，而且配備一套比較復(fù)雜的控制系統(tǒng)，導(dǎo)致機(jī)械手的系統(tǒng)成本、魯棒性、復(fù)雜度等增加，難以大規(guī)模推廣，因此，在適應(yīng)不同異形物品抓取的機(jī)械手領(lǐng)域，開發(fā)一套結(jié)構(gòu)簡易功能穩(wěn)定成本可控的自適應(yīng)抓取機(jī)械手系統(tǒng)仍然是一項(xiàng)不小的挑戰(zhàn)。

（二）特殊問題一般化分析

通過深入分析特殊問題，尋找導(dǎo)致問題的根本原因，并將其進(jìn)行一般化分析。先進(jìn)行功能模型分析，創(chuàng)新主要取決方案設(shè)計(jì)階段所涉及到功能的具體定義。TRIZ理論的功能是一個(gè)抽象化的概念，它與用途、功效、性能等概念不同，讓學(xué)生真正理解“功能”的概念非常重要，抽象化有助于萌發(fā)新的創(chuàng)造思維，有利于揭露本質(zhì)，尋找更理想的問題解決方案。TRIZ理論的功能分析實(shí)際上是對技術(shù)系統(tǒng)功能建模。學(xué)生通過查閱資料確定無序異形物品抓取機(jī)械手的功能模型如圖2所示，并明確技術(shù)系統(tǒng)各個(gè)構(gòu)成組件的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。

學(xué)生通過理解TRIZ理論的功能分析工具并進(jìn)行運(yùn)用，可以把技術(shù)系統(tǒng)的思考轉(zhuǎn)化為對功能的思考，從而排除形式技術(shù)系統(tǒng)對設(shè)計(jì)思維的約束，拓寬思路搜索滿足技術(shù)系統(tǒng)功能要求的合理工作原理，形成新的構(gòu)思。通過進(jìn)一步分析設(shè)計(jì)構(gòu)思，尋找技術(shù)系統(tǒng)組件之間相互沖突的功能，凝練解決問題的突破口和資源。無序異形物品抓取機(jī)械手系統(tǒng)組成部件可定義為控制模塊、視覺傳感器、機(jī)械手和異形物品，系統(tǒng)作用對象是異形物品。控制模塊控制視覺傳感器識(shí)別異形物品，視覺傳感器發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，將信號(hào)反饋給控制模塊，控制模塊觸發(fā)機(jī)械手工作，機(jī)械手將抓取目標(biāo)異形物品。通過功能分析，可以發(fā)現(xiàn)要讓整個(gè)系統(tǒng)安全高效可靠的執(zhí)行任務(wù)，要解決的問題主要集中在控制策略和機(jī)械手結(jié)構(gòu)。

再進(jìn)行根本原因分析，基于功能分析，依據(jù)技術(shù)問題，逐級(jí)詳盡分析帶來問題的深層次原因，找尋解決問題的突破口。技術(shù)系統(tǒng)中目標(biāo)識(shí)別是完成精準(zhǔn)抓取的核心，目前機(jī)器人技術(shù)基本可以根據(jù)圖像特征和形狀進(jìn)行單一目標(biāo)物品識(shí)別，但無法在無序多個(gè)異形物品中做到目標(biāo)識(shí)別并精準(zhǔn)抓取。機(jī)械手是進(jìn)行異形物品安全穩(wěn)固抓取的關(guān)鍵，目前大多機(jī)械手的抓取對象比較單一，無法滿足形狀和材質(zhì)不一物品可靠抓取的需求。經(jīng)過上述分析，找到問題的根本原因，也明確了要解決的問題。為達(dá)到高效無序異形物品抓取目的，需要科學(xué)合理的目標(biāo)識(shí)別方案和機(jī)械手結(jié)構(gòu)。

（三）問題解決方案

通過特殊問題的一般化分析，找到了問題的根本原因，明確了需要解決的任務(wù)，接下來運(yùn)用TRIZ解題工具找尋問題解決方案。采用TRIZ分離方法、功能導(dǎo)向搜索和特殊問題轉(zhuǎn)移，對技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行裁剪，整合重疊功能并裁剪重復(fù)功能組件。對目前該領(lǐng)域已有的成熟技術(shù)進(jìn)行研究，搜索解決問題的方案，并移植一種或多種可行方案，使技術(shù)系統(tǒng)具備更多優(yōu)越性。

目標(biāo)識(shí)別策略包含顏色識(shí)別、外輪廓形狀識(shí)別、材質(zhì)識(shí)別等，其中顏色識(shí)別策略無法區(qū)別兩個(gè)同色不同形狀的物品；外輪廓形狀識(shí)別策略無法做到不同顏色相同外輪廓形狀物品的區(qū)分；材質(zhì)識(shí)別策略無法辨析同樣材質(zhì)不同形狀的物品。因此，這些目標(biāo)識(shí)別策略都無法很好達(dá)到無序異形物品抓取的高精度識(shí)別要求。通過查閱文獻(xiàn)[12]，基于云圖像識(shí)別的策略可滿足無序異形物品的目標(biāo)識(shí)別。電動(dòng)式或壓力式機(jī)械手都有兩指和多指的結(jié)構(gòu)，也有柔性和剛性的材質(zhì)，通過查閱文獻(xiàn)[13]，物品抓取采用電動(dòng)式柔性三爪機(jī)械手。

（四）作品呈現(xiàn)及成果

運(yùn)用TRIZ理論，學(xué)生團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了目標(biāo)識(shí)別策略和抓取機(jī)械手結(jié)構(gòu)，基于云圖像識(shí)別工作原理如圖3所示，由攝像頭對目標(biāo)物品的不同角度進(jìn)行拍攝，采集成百上千張圖像，選用樹莓派接入云端大數(shù)據(jù)，并通過樹莓派將圖像上傳至云端，利用編寫的程序完成云端與樹莓派的數(shù)據(jù)傳輸及指令下達(dá)。識(shí)別過程中，攝像頭完成圖像捕捉，并實(shí)時(shí)將拍攝圖像上傳至云端進(jìn)行比對，當(dāng)在攝像識(shí)別區(qū)域范圍內(nèi)有需要抓取的物品后，自動(dòng)輸入圖像分析代碼到主程序，樹莓派通過運(yùn)算、分析、處理，計(jì)算出所抓取物品的具體位置，最后將位置信號(hào)傳入Python程序中定量定時(shí)觸發(fā)機(jī)械手進(jìn)行抓取。機(jī)械手主要由帶閉環(huán)控制的步進(jìn)電機(jī)和三個(gè)鰭條效應(yīng)原理設(shè)計(jì)的柔性爪。學(xué)生團(tuán)隊(duì)依托工程訓(xùn)練教學(xué)支撐平臺(tái)，關(guān)鍵零部件柔性爪用TPU材料通過3D打印技術(shù)實(shí)現(xiàn)，最后學(xué)生通過設(shè)計(jì)、裝配、調(diào)試制作了無序異形物品抓取機(jī)械手樣機(jī)，并在教師指導(dǎo)下順利完成物品抓取試驗(yàn)。

根據(jù)浙江省大學(xué)生工程實(shí)踐與創(chuàng)新能力大賽、大學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)競賽、大學(xué)生智能機(jī)器人創(chuàng)意競賽等A類學(xué)科競賽規(guī)則，指導(dǎo)教師圍繞作品的程序編譯、機(jī)械設(shè)計(jì)和技術(shù)文檔三個(gè)方面對學(xué)生團(tuán)隊(duì)進(jìn)行答疑，團(tuán)隊(duì)成員各司其職也互幫互助，并通過教師針對性輔導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)了編程實(shí)踐能力、機(jī)械創(chuàng)新實(shí)踐能力、文本撰寫能力、團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)等軟硬技能的培養(yǎng)目的。采取過程匯報(bào)、現(xiàn)場競賽、文本評(píng)閱相結(jié)合方式選拔優(yōu)秀學(xué)生團(tuán)隊(duì)參加對應(yīng)的A類學(xué)科競賽，并指導(dǎo)學(xué)生積極申報(bào)科技項(xiàng)目和專利[14]。自教學(xué)改革實(shí)施三年時(shí)間，由工程訓(xùn)練教師團(tuán)隊(duì)指導(dǎo)學(xué)生參加了多項(xiàng)A類學(xué)科競賽，榮獲國家級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)近4項(xiàng)、省級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)近24項(xiàng)的優(yōu)異成績；任課教師還指導(dǎo)學(xué)生團(tuán)隊(duì)成功申報(bào)科技創(chuàng)新項(xiàng)目近9項(xiàng)、授權(quán)專利近8項(xiàng)；受益學(xué)生多達(dá)240人，約占改革試點(diǎn)上課學(xué)生總?cè)藬?shù)的60%。

積極創(chuàng)新科學(xué)合理的考核評(píng)價(jià)體系是開展“課賽結(jié)合、虛實(shí)結(jié)合、學(xué)用結(jié)合”的PBL教學(xué)模式的有力保障。利用信息化手段，制定考核評(píng)價(jià)體系，引入過程性與終結(jié)性相結(jié)合、知識(shí)技能與態(tài)度相結(jié)合、個(gè)人評(píng)價(jià)和團(tuán)隊(duì)評(píng)價(jià)相結(jié)合、學(xué)生評(píng)價(jià)和教師評(píng)價(jià)相結(jié)合等考核方式；利用自主設(shè)計(jì)的競賽規(guī)則，在課程學(xué)期內(nèi)舉辦學(xué)生團(tuán)隊(duì)作品功能大比拼競賽，并按一定比例劃定競賽成績等級(jí)，競賽成績?nèi)谌胝n程總成績，課賽結(jié)合、虛實(shí)結(jié)合、學(xué)用結(jié)合的教學(xué)模式貫穿于課程全過程。對學(xué)生進(jìn)行全過程、多元化和綜合性的考核評(píng)價(jià)[15-16]，提高了教學(xué)質(zhì)量，達(dá)到了人才培養(yǎng)要求。

五、結(jié)論

TRIZ理論是一門系統(tǒng)化的科學(xué)方法，通過學(xué)習(xí)和遵循它的內(nèi)涵，能夠有效加快創(chuàng)新性問題的解決。工程訓(xùn)練是一門培養(yǎng)學(xué)生綜合能力的重要課程，在TRIZ理論指導(dǎo)下，基于新工科教育理念，構(gòu)建了“理、實(shí)、賽融合”與“通、專、創(chuàng)并舉”的特色工程訓(xùn)練系列課程體系，提出了“課賽結(jié)合、虛實(shí)結(jié)合、學(xué)用結(jié)合”的PBL教學(xué)模式，逐漸從傳統(tǒng)的“師徒傳幫帶”實(shí)踐教學(xué)法向“教學(xué)做評(píng)賽一體化”教學(xué)方式轉(zhuǎn)變，通過實(shí)踐探索，取得了豐碩的育人成果，學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性和跨學(xué)科知識(shí)整合能力顯著提升，同時(shí)創(chuàng)新意識(shí)、價(jià)值觀、分析問題以及解決問題的能力也得到很好鍛煉，達(dá)到了預(yù)期人才培養(yǎng)目標(biāo)，也為同類院校工程訓(xùn)練教學(xué)體系改革提供理論參考。

[基金項(xiàng)目：浙江省高校實(shí)驗(yàn)室工作研究項(xiàng)目“新工科視閥下的工程訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)體系研究”（YB202260）；浙江省普通本科高?！笆奈濉钡谝慌虒W(xué)改革項(xiàng)目“基于新工科的工程訓(xùn)練跨學(xué)科人才培養(yǎng)體系改革與實(shí)踐”（jg20220641）；浙江省高等教育學(xué)會(huì)高等教育研究課題“基于新工科的工程訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)體系改革與實(shí)踐”（KT2023390）]

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［作者簡介：陶來華，博士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：機(jī)電系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)制造實(shí)踐教學(xué)與實(shí)驗(yàn)室管理研究。］

（責(zé)編：賈偉）