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摘要:TRIZ理论是一种创新设计的理论,一种系统的方法学。在大学机械类专业的“机电一体化技术”课程教学中渗透TRIZ理论,有助于培养学生的创新能力,使学生建立创新理念。通过对教学以及课程设计的改革,培养学生对机电一体化技术的综合运用能力、创新能力以及设计能力。以学生在创新设计中的成果为例说明TRIZ理念在创新概念教学中的效果。
关键词:TRIZ;创新教育;机电一体化;理想化法则
作者简介:肖楠(1980-),男,辽宁沈阳人,沈阳工程学院机械系,讲师,工学博士,主要研究方向:机电技术;郭维城(1980-),男,内蒙古乌盟人,沈阳工程学院机械系,讲师,工学硕士,主要研究方向:机械制造及自动化。(辽宁 沈阳 110136)
基金项目:本文系2009年辽宁省教育厅高等教育教学改革研究项目(2009B219)、2010年沈阳工程学院教育教学研究青年基金项目(2010Q1003)的研究成果。
TRIZ理论,即“发明问题解决理论”。TRIZ理论是一种方法学,该理论可以用来预测产品的发展趋势,也可以用来解决产品设计中的冲突。在“机电一体化”课程教学中引进并渗透TRIZ理论,鼓励学生创新,并且在课程设计中进行改革,进行创新设计,取得了良好的教学及实践效果。通过改革建立起学生的创新理念,并通过创新设计树立开拓创新的信心和“终身创新”的理念。
一、TRIZ理论及其技术基础
1.TRIZ理论
TRIZ(Theory of Inventive Problem Solving,也称TIPS)是俄文中发明问题解决理论的词头,由前苏联著名发明家G.S.Altshuller领导的研究机构分析了世界近250万件高水平的发明专利,并综合多学科领域的原理之后,总结出人类进行发明创造解决技术问题过程所遵循的40个发明原理及法则。是由解决技术问题和实现创新开发的各种方法、算法组成的综合理论体系。
通过对全世界大量专利的分析与研究,Altshuller所提出的发明问题解决理论TRIZ采用科学的思维方式,采用一系列工具,首先将特定的问题抽象成为标准的或一般的问题,然后来用标准的方法解决,最后得出特定的解。具体过程可见图1。
2.TRIZ的主要观点及技术基础
TRIZ理论认为技术的演化不是一个随机过程,它与顾客需求的演化相关,并且每个工程领域的演化都对其它工程领域产生影响。
同时创造性问题来源于矛盾,解决矛盾问题有两个方法:一是在冲突参数间寻找折衷方案,二是消除矛盾。因此TRIZ理论主要观点就是解决问题的方法论。
3.TRIZ理论的技术系统
TRIZ理论基础的技术系统主要包括机器、设备和仪器三个方面,在应用中理论内容如下:
二、“机电一体化技术”课程的主要内容及设计改革
1.“机电一体化技术”课程的主要内容
机电一体化技术是机械技术与微电子技术有机结合的产物,也是在微电子技术向传统技术渗透的过程中逐渐发展起来的一门综合性技术学科。它包括机械技术、自动化技术、传感器技术和计算机技术等。
2.“机电一体化技术”课程对学生的要求
“机电一体化技术”课程要求学生能够掌握机电一体化的共性关键技术,学会应用所学的机械学知识和电子学知识进行产品设计,同时要求学生能够掌握系统建模的一般理论和方法。能够通过建模对简单系统进行分析和综合。
3.机电一体化设计的课程设计改革
为了让学生满足以上学习要求,需要在课程中添加为期三周的课程设计内容,笔者在课程教学中渗透了TRIZ理论的基础知识——理想化法则,并且要求学生自拟设计题目,并在拟定题目过程中加入TRIZ理论,鼓励题目创新,当拟定题目后与学生探讨方案及题目的可行性,这取得了良好的教学效果。
在对机械设计及其自动化专业两个班级共57名本科生进行教学改革的过程中,经过对学生设计的分析与论证,共录用学生设计题目34个(可1～2人一组,题目源自46名同学),全部是源自学生自身生活中的创新设计题目。经过探讨和研究,实施设计工作,笔者根据题目的创意性和可行性将其进行分类,将部分题目举例如表1所示。
其中A类题目有良好的创意及可行性,通常是学生在学习生活中遇到的问题,并通过TRIZ理论解决问题。设计题目本身具有创新性,设计成本较低,运用了已有的机电一体化知识,具有良好的设计可行性,并在老师的指导下,全部良好地完成了机构部分及控制部分的设计内容。另外,具有良好的可加工性。
B类题目,也具有良好的创意,但问题是可行性较差,在3周的课程设计时间内,以学生现有的知识无法完成设计工作,原因多是过于复杂或涉及知识面过大,这样的设计创意,通常予以鼓励,并且要求通过查阅资料完成概念设计。例如GPS导盲机器人,涉及到全球定位系统在导盲机器人中的应用,并且要求机器人有自动行走功能、语音识别功能和避障功能,这些功能本身就超越了本科学生的设计能力,对这类设计题目,通常要求尽量完成创新概念设计,完成框图及控制流程图,并鼓励学生在未来的学习生活中不断充实,争取在未来完成设计,建立学生“终身创新”的意识。
C类题目占据了学生创新题目的较大比例(约60%),这些设计创意不够强,通常设计的产品已经存在,例如自动开闭垃圾箱。或设计创意较差,如自动升降讲台(意义不大,并且与已存在的自动升降的舞台内容重叠)。这样的设计题目,通常要求学生进行资料查阅,并在已有资料的基础上选定参数,完成设计。
其余共11名同学的题目缺乏创新性或没有在单位时间内确定题目,原因通常是缺乏自信,或想法和其他同学冲突,对于这类学生要求完成传统的机电一体化传统设计内容,并要求认真完成设计工作。
下面以TRIZ理论的基础原理——理想化法则在学生创新设计作品“定时起床闹铃装置”中的应用为例,说明TRIZ理论对学生解决问题及创新设计的帮助。
三、理想化法则在学生创新设计中的应用
1.TRIZ理论基础——理想化法则
理想化法则是TRIZ理论的基础,与传统设计的区别在于传统设计的主要理念是:需要实现某功能,因此我们需要制造某种装置。而TRIZ理论的思想则是:需要实现某种功能,如何能够不引入某种装置而实现该功能。主要的方法就是把所研究的对象理想化。
理想化是对客观世界中所存在物体的一种抽象,这种抽象了的客观世界既不存在,也不能通过实验验证。理想化的物体是真实物体存在的一种极限状态,对于某些研究起着重要作用,如物理学中的理想气体和理想液体以及几何学中的点与线等。在TRIZ中,理想化是一种强有力的工具,在创新过程中发挥着重要作用。
在TRIZ中,理想化的应用包含:理想系统、理想过程、理想资源、理想方法、理想机器和理想物质等。理想化的描述如下:
理想机器:没有质量、没有体积,但能完成所需要的工作。
理想方法:不消耗能量及时间,但通过自身调节,能够获得所需的效应。
理想过程:只有过程的结果,而无过程本身,突然就获得了结果。
理想物质:没有物质,功能得以实现。
理想解的确定主要包括以下几个步骤:
(1)确立目标:设计的最终目的是什么?
(2)确定理想解:理想解是什么?
(3)明确障碍:达到理想解的障碍是什么?
(4)障碍后果:出现障碍的结果是什么?
(5)障碍消除:不出现这种障碍的条件是什么?
(6)可用资源:创造这些条件存在的可用资源是什么?
2.理想化法则在学生设计作品“定时起床闹铃装置”中的应用
定时起床闹铃装置的基本设计思想是由于某些同学喜欢赖床不起,应用闹铃技术使学生在规定的时间范围内起床。本设计虽然实用性有待考察,但其设计理念具有良好的创新性,并充分利用了TRIZ的理论基础之一——理想化法则。下面通过六步分析该问题并提出理想解。
(1)问题的最终目的是什么?学生在规定时间离开床。
(2)理想解是什么?学生在闹铃响起后起床。
(3)达到理想解的障碍是什么?闹铃响起后学生可以关闭闹铃继续睡觉。
(4)出现这种障碍的结果是什么?关闭闹铃后学生不再受闹铃的影响,闹铃功能失效。
(5)不出现这种障碍的条件是什么?学生关闭闹铃的时候必须离开床。并且回到床后闹铃继续工作。
(6)创造这些条件存在的可用资源是什么?学生自身就是可用资源!
设计理念:使控制闹铃的开关量由学生是否起床控制。即在学生身下的床垫上安装力敏装置,当床垫上物体的重量小于被褥和学生体重总和时,触发闹铃的开关量使闹铃关闭,否则闹铃在规定时间内处于常开状态。
该设计主要应用的知识有机械设计基础、力学、三维建模技术、传感器设计、单片机及接口技术,属于机电一体化的综合设计。在确定目标及基本方案后,设计并不复杂,并且能够达到机电一体化设计的学习要求。设计基本目录如下:
(1)结构设计:采用Pro/E软件实体建模。
(2)受力分析:采用单片碟簧设计,并确定单片碟簧的载荷与变形关系,并进行受力分析。
(3)控制原理:采用单片机时钟功能设计,由压力传感器提供开关量信息。
(4)基本程序:完成主程序代码及定时器中断服务程序代码。
四、结语
21世纪是一个以科技为核心的知识经济时代,如何培养有较强社会适应能力和科技创新能力的创新型人才,是高校教育改革的重要课题。机电一体化技术是机械设计制造及其自动化学科的重要专业课,在教学中培养学生的创新思维具有重要的意义。
作为教师,在教学过程努力向学生渗透创新理念,提供创新思维的空间,激发他们的创新意识和创新行为。在教学改革过程中有如下体会:
(1)多数大学生具有很强的创新愿望,需要教师加以引导,在教学过程中应该帮助学生树立解决问题的信心。
(2)在机电一体化的设计改革过程中,通过TRIZ理论的自拟题目设计,可以增强学生的创新意识,为培养学生的创新精神打下良好的基础。
(3)在教学改革过程中最大的难点是出现了众多新颖的设计题目,这些题目极大地增加了教师的工作量,也对教师的设计及科研的能力和经验提出了挑战,需要教师本身树立创新意识,并且具备解决问题的能力。
(4)部分学生在规定时间内没有设计创意。设计时间过短是导致设计难于完成的一个原因,为此可以考虑提前接触创新理论,延长设置题目的时间。
参考文献:
[1]江帆,王一军,刘晓初,等.TRIZ理论在汽车电子技术课程教学中的应用[J].理工高教研究,2007,(3):96-97.
[2]于淼.高校应成为培养创新人才的主阵地[J].教育创新,2004,(6):26.
[3]郑维巍.TRIZ理论——科技创新的助推器[J].中国核工业,2006,(11):57-58.
[4]潘建广,何慧星.试论新形势下大学生创新能力的培养[J].陕西师范大学学报,2005,(2):223-225.
[5]钟南山.创新人才要有“五干”精神[J].新湘评论,2008,(3):48.
[6]ZHAO Jin,LI Hui.Innovation Design Method for Electronic Consuming Products Figures Based on TRIZ[J].Journal of Electronic Science and Technology of China 2006,(3):93-96.
(责任编辑:郝魁府)
关键词:TRIZ;创新教育;机电一体化;理想化法则
作者简介:肖楠(1980-),男,辽宁沈阳人,沈阳工程学院机械系,讲师,工学博士,主要研究方向:机电技术;郭维城(1980-),男,内蒙古乌盟人,沈阳工程学院机械系,讲师,工学硕士,主要研究方向:机械制造及自动化。(辽宁 沈阳 110136)
基金项目:本文系2009年辽宁省教育厅高等教育教学改革研究项目(2009B219)、2010年沈阳工程学院教育教学研究青年基金项目(2010Q1003)的研究成果。
TRIZ理论,即“发明问题解决理论”。TRIZ理论是一种方法学,该理论可以用来预测产品的发展趋势,也可以用来解决产品设计中的冲突。在“机电一体化”课程教学中引进并渗透TRIZ理论,鼓励学生创新,并且在课程设计中进行改革,进行创新设计,取得了良好的教学及实践效果。通过改革建立起学生的创新理念,并通过创新设计树立开拓创新的信心和“终身创新”的理念。
一、TRIZ理论及其技术基础
1.TRIZ理论
TRIZ(Theory of Inventive Problem Solving,也称TIPS)是俄文中发明问题解决理论的词头,由前苏联著名发明家G.S.Altshuller领导的研究机构分析了世界近250万件高水平的发明专利,并综合多学科领域的原理之后,总结出人类进行发明创造解决技术问题过程所遵循的40个发明原理及法则。是由解决技术问题和实现创新开发的各种方法、算法组成的综合理论体系。
通过对全世界大量专利的分析与研究,Altshuller所提出的发明问题解决理论TRIZ采用科学的思维方式,采用一系列工具,首先将特定的问题抽象成为标准的或一般的问题,然后来用标准的方法解决,最后得出特定的解。具体过程可见图1。
2.TRIZ的主要观点及技术基础
TRIZ理论认为技术的演化不是一个随机过程,它与顾客需求的演化相关,并且每个工程领域的演化都对其它工程领域产生影响。
同时创造性问题来源于矛盾,解决矛盾问题有两个方法:一是在冲突参数间寻找折衷方案,二是消除矛盾。因此TRIZ理论主要观点就是解决问题的方法论。
3.TRIZ理论的技术系统
TRIZ理论基础的技术系统主要包括机器、设备和仪器三个方面,在应用中理论内容如下:
二、“机电一体化技术”课程的主要内容及设计改革
1.“机电一体化技术”课程的主要内容
机电一体化技术是机械技术与微电子技术有机结合的产物,也是在微电子技术向传统技术渗透的过程中逐渐发展起来的一门综合性技术学科。它包括机械技术、自动化技术、传感器技术和计算机技术等。
2.“机电一体化技术”课程对学生的要求
“机电一体化技术”课程要求学生能够掌握机电一体化的共性关键技术,学会应用所学的机械学知识和电子学知识进行产品设计,同时要求学生能够掌握系统建模的一般理论和方法。能够通过建模对简单系统进行分析和综合。
3.机电一体化设计的课程设计改革
为了让学生满足以上学习要求,需要在课程中添加为期三周的课程设计内容,笔者在课程教学中渗透了TRIZ理论的基础知识——理想化法则,并且要求学生自拟设计题目,并在拟定题目过程中加入TRIZ理论,鼓励题目创新,当拟定题目后与学生探讨方案及题目的可行性,这取得了良好的教学效果。
在对机械设计及其自动化专业两个班级共57名本科生进行教学改革的过程中,经过对学生设计的分析与论证,共录用学生设计题目34个(可1～2人一组,题目源自46名同学),全部是源自学生自身生活中的创新设计题目。经过探讨和研究,实施设计工作,笔者根据题目的创意性和可行性将其进行分类,将部分题目举例如表1所示。
其中A类题目有良好的创意及可行性,通常是学生在学习生活中遇到的问题,并通过TRIZ理论解决问题。设计题目本身具有创新性,设计成本较低,运用了已有的机电一体化知识,具有良好的设计可行性,并在老师的指导下,全部良好地完成了机构部分及控制部分的设计内容。另外,具有良好的可加工性。
B类题目,也具有良好的创意,但问题是可行性较差,在3周的课程设计时间内,以学生现有的知识无法完成设计工作,原因多是过于复杂或涉及知识面过大,这样的设计创意,通常予以鼓励,并且要求通过查阅资料完成概念设计。例如GPS导盲机器人,涉及到全球定位系统在导盲机器人中的应用,并且要求机器人有自动行走功能、语音识别功能和避障功能,这些功能本身就超越了本科学生的设计能力,对这类设计题目,通常要求尽量完成创新概念设计,完成框图及控制流程图,并鼓励学生在未来的学习生活中不断充实,争取在未来完成设计,建立学生“终身创新”的意识。
C类题目占据了学生创新题目的较大比例(约60%),这些设计创意不够强,通常设计的产品已经存在,例如自动开闭垃圾箱。或设计创意较差,如自动升降讲台(意义不大,并且与已存在的自动升降的舞台内容重叠)。这样的设计题目,通常要求学生进行资料查阅,并在已有资料的基础上选定参数,完成设计。
其余共11名同学的题目缺乏创新性或没有在单位时间内确定题目,原因通常是缺乏自信,或想法和其他同学冲突,对于这类学生要求完成传统的机电一体化传统设计内容,并要求认真完成设计工作。
下面以TRIZ理论的基础原理——理想化法则在学生创新设计作品“定时起床闹铃装置”中的应用为例,说明TRIZ理论对学生解决问题及创新设计的帮助。
三、理想化法则在学生创新设计中的应用
1.TRIZ理论基础——理想化法则
理想化法则是TRIZ理论的基础,与传统设计的区别在于传统设计的主要理念是:需要实现某功能,因此我们需要制造某种装置。而TRIZ理论的思想则是:需要实现某种功能,如何能够不引入某种装置而实现该功能。主要的方法就是把所研究的对象理想化。
理想化是对客观世界中所存在物体的一种抽象,这种抽象了的客观世界既不存在,也不能通过实验验证。理想化的物体是真实物体存在的一种极限状态,对于某些研究起着重要作用,如物理学中的理想气体和理想液体以及几何学中的点与线等。在TRIZ中,理想化是一种强有力的工具,在创新过程中发挥着重要作用。
在TRIZ中,理想化的应用包含:理想系统、理想过程、理想资源、理想方法、理想机器和理想物质等。理想化的描述如下:
理想机器:没有质量、没有体积,但能完成所需要的工作。
理想方法:不消耗能量及时间,但通过自身调节,能够获得所需的效应。
理想过程:只有过程的结果,而无过程本身,突然就获得了结果。
理想物质:没有物质,功能得以实现。
理想解的确定主要包括以下几个步骤:
(1)确立目标:设计的最终目的是什么?
(2)确定理想解:理想解是什么?
(3)明确障碍:达到理想解的障碍是什么?
(4)障碍后果:出现障碍的结果是什么?
(5)障碍消除:不出现这种障碍的条件是什么?
(6)可用资源:创造这些条件存在的可用资源是什么?
2.理想化法则在学生设计作品“定时起床闹铃装置”中的应用
定时起床闹铃装置的基本设计思想是由于某些同学喜欢赖床不起,应用闹铃技术使学生在规定的时间范围内起床。本设计虽然实用性有待考察,但其设计理念具有良好的创新性,并充分利用了TRIZ的理论基础之一——理想化法则。下面通过六步分析该问题并提出理想解。
(1)问题的最终目的是什么?学生在规定时间离开床。
(2)理想解是什么?学生在闹铃响起后起床。
(3)达到理想解的障碍是什么?闹铃响起后学生可以关闭闹铃继续睡觉。
(4)出现这种障碍的结果是什么?关闭闹铃后学生不再受闹铃的影响,闹铃功能失效。
(5)不出现这种障碍的条件是什么?学生关闭闹铃的时候必须离开床。并且回到床后闹铃继续工作。
(6)创造这些条件存在的可用资源是什么?学生自身就是可用资源!
设计理念:使控制闹铃的开关量由学生是否起床控制。即在学生身下的床垫上安装力敏装置,当床垫上物体的重量小于被褥和学生体重总和时,触发闹铃的开关量使闹铃关闭,否则闹铃在规定时间内处于常开状态。
该设计主要应用的知识有机械设计基础、力学、三维建模技术、传感器设计、单片机及接口技术,属于机电一体化的综合设计。在确定目标及基本方案后,设计并不复杂,并且能够达到机电一体化设计的学习要求。设计基本目录如下:
(1)结构设计:采用Pro/E软件实体建模。
(2)受力分析:采用单片碟簧设计,并确定单片碟簧的载荷与变形关系,并进行受力分析。
(3)控制原理:采用单片机时钟功能设计,由压力传感器提供开关量信息。
(4)基本程序:完成主程序代码及定时器中断服务程序代码。
四、结语
21世纪是一个以科技为核心的知识经济时代,如何培养有较强社会适应能力和科技创新能力的创新型人才,是高校教育改革的重要课题。机电一体化技术是机械设计制造及其自动化学科的重要专业课,在教学中培养学生的创新思维具有重要的意义。
作为教师,在教学过程努力向学生渗透创新理念,提供创新思维的空间,激发他们的创新意识和创新行为。在教学改革过程中有如下体会:
(1)多数大学生具有很强的创新愿望,需要教师加以引导,在教学过程中应该帮助学生树立解决问题的信心。
(2)在机电一体化的设计改革过程中,通过TRIZ理论的自拟题目设计,可以增强学生的创新意识,为培养学生的创新精神打下良好的基础。
(3)在教学改革过程中最大的难点是出现了众多新颖的设计题目,这些题目极大地增加了教师的工作量,也对教师的设计及科研的能力和经验提出了挑战,需要教师本身树立创新意识,并且具备解决问题的能力。
(4)部分学生在规定时间内没有设计创意。设计时间过短是导致设计难于完成的一个原因,为此可以考虑提前接触创新理论,延长设置题目的时间。
参考文献:
[1]江帆,王一军,刘晓初,等.TRIZ理论在汽车电子技术课程教学中的应用[J].理工高教研究,2007,(3):96-97.
[2]于淼.高校应成为培养创新人才的主阵地[J].教育创新,2004,(6):26.
[3]郑维巍.TRIZ理论——科技创新的助推器[J].中国核工业,2006,(11):57-58.
[4]潘建广,何慧星.试论新形势下大学生创新能力的培养[J].陕西师范大学学报,2005,(2):223-225.
[5]钟南山.创新人才要有“五干”精神[J].新湘评论,2008,(3):48.
[6]ZHAO Jin,LI Hui.Innovation Design Method for Electronic Consuming Products Figures Based on TRIZ[J].Journal of Electronic Science and Technology of China 2006,(3):93-96.
(责任编辑:郝魁府)