江 帆，孫 驊，胡一丹，庾在海

（廣州大學(xué)機械與電氣工程學(xué)院，廣東廣州510006）

機械基礎(chǔ)系列課程，是工科院校覆蓋面廣的主干課程，所涉及到實驗課程主要培養(yǎng)工科學(xué)生具有豐富的實驗思想、方法和手段，同時能提供綜合性很強的基本實驗技能訓(xùn)練，是培養(yǎng)學(xué)生機械設(shè)計、研究、開發(fā)能力的一個重要環(huán)節(jié)，為培養(yǎng)新時期自主創(chuàng)新人才和研究型工程創(chuàng)新人才奠定堅實的基礎(chǔ)。同時，在培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、活躍的創(chuàng)新思維、理論聯(lián)系實際和適應(yīng)科技發(fā)展的綜合應(yīng)用能力等方面，具有其他實踐類課程不可替代的作用[1]。因此，研究適合機械創(chuàng)新人才培養(yǎng)的機械基礎(chǔ)實驗體系，具有重要意義。本文將TRIZ理論（TRIZ是俄文Т е о р и и Р е ш е н и я И з о б р е т а т е л ь с к и х З а д а ч的英文音譯Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch的縮寫）引入到機械基礎(chǔ)實驗體系構(gòu)建中，建立機械基礎(chǔ)創(chuàng)新實驗教學(xué)體系。

1 我國高校機械基礎(chǔ)實驗體系改革進展

1.1 傳統(tǒng)機械基礎(chǔ)實驗體系存在的問題

傳統(tǒng)機械基礎(chǔ)實驗體系，基本上是根據(jù)教學(xué)基本要求來配置實驗，并且很多是單一的驗證性實驗，學(xué)生對實驗準(zhǔn)備過程和實驗方法步驟的設(shè)立，缺乏必要的思考和理解，實驗在被動中進行，得不到全面系統(tǒng)的訓(xùn)練，更不能得到創(chuàng)造性和綜合性的訓(xùn)練。實驗教學(xué)存在以下問題：

（1）每個實驗都有固定的指導(dǎo)書，包括實驗?zāi)康?、實驗設(shè)備、實驗原理和方法、實驗步驟，甚至還包括實驗報告的格式等。學(xué)生只需按部就班就可以完成實驗。學(xué)生的思維和行為方式都被固化為統(tǒng)一的模式。沒有自己思考和創(chuàng)造的空間，很難激發(fā)學(xué)生的求知欲。

（2）實驗教學(xué)模式單一，且完全按教師的安排進行，學(xué)生的主動性和創(chuàng)新性很難得到發(fā)揮。

（3）隨著科技的快速發(fā)展和學(xué)生知識結(jié)構(gòu)的變化，實驗內(nèi)容中沒有增加相關(guān)領(lǐng)域的新知識和新技術(shù)，綜合性、設(shè)計性實驗較少，同時容易挫傷學(xué)生的專業(yè)興趣。實驗側(cè)重于驗證理論，學(xué)生不能從實驗中探求未知、研究和創(chuàng)新。

（4）實驗僅作為課堂教學(xué)的附屬，課程成績不能反映學(xué)生的實驗?zāi)芰退?；?dǎo)致實驗本身缺乏吸引力，從而挫傷了學(xué)生進行實驗的積極性和主動性，客觀上助長了重理論、輕實驗的錯誤觀點，影響了實驗教學(xué)的效果。特別是由于實驗過程中沒有提供實驗設(shè)計、研究條件，所以也就談不上通過實驗使學(xué)生探求未知、培養(yǎng)研究能力和創(chuàng)新能力[2]。傳統(tǒng)機械基礎(chǔ)實驗教學(xué)體系培養(yǎng)的學(xué)生畢業(yè)工作后，很難面對企業(yè)生產(chǎn)中專業(yè)技術(shù)的實際問題，提不出有價值的技術(shù)方案，更談不上用創(chuàng)新思維解決技術(shù)問題和創(chuàng)新設(shè)計了。因此要進行實驗教學(xué)體系的改革，增強學(xué)生的動手能力、思考能力和創(chuàng)新能力。

1.2 高校機械基礎(chǔ)實驗體系的改革現(xiàn)狀

目前，一些高校對機械基礎(chǔ)實驗體系進行較大改革。例如北京航空航天大學(xué)，改革了機械基礎(chǔ)實驗教學(xué)體系，拓展學(xué)生對機械設(shè)計對象形態(tài)、組成、結(jié)構(gòu)及工作原理的認(rèn)知和理解。構(gòu)建新的實驗教學(xué)包括四大模塊：工程技能培養(yǎng)模塊，工程對象認(rèn)知/理解模塊，工程設(shè)計/分析測試能力，工程創(chuàng)新設(shè)計能力，共32個實驗項目，綜合性、設(shè)計性實驗比例為50%[1]。

重慶交通大學(xué)構(gòu)建基于新質(zhì)量觀的機械基礎(chǔ)實驗教學(xué)體系，使學(xué)生具備相當(dāng)?shù)膶I(yè)綜合素質(zhì)、實踐動手能力和創(chuàng)新能力，建立了完善的實驗教學(xué)內(nèi)容，由24個實驗項目組成，其中綜合性、設(shè)計性實驗比例為63%[3]。

海軍航空工程學(xué)院進行了以培養(yǎng)創(chuàng)新能力為目標(biāo)的機械基礎(chǔ)實驗教學(xué)體系改革，采取措施激發(fā)學(xué)員的主動性和創(chuàng)新性，實驗體系有5個大項：基礎(chǔ)力學(xué)實驗、機械設(shè)計實驗、機械性能測試實驗、機械系統(tǒng)效率測定實驗、機械工程材料實驗，共20個實驗項目，綜合性、設(shè)計性實驗比例為75%。

還有很多高校進行了機械基礎(chǔ)實驗體系的改革，從國內(nèi)高校機械基礎(chǔ)實驗體系改革來看，都在強調(diào)增強學(xué)生的創(chuàng)新能力，但沒有提到創(chuàng)新思維的理論指導(dǎo)。廣州大學(xué)機械與電氣工程學(xué)院將TRIZ理論融入機械基礎(chǔ)實驗體系改革中，以系統(tǒng)的理論來指導(dǎo)學(xué)生在實驗中的創(chuàng)新。

2 TR I Z理論及其在機械實驗教學(xué)體系中的應(yīng)用

2.1 TR I Z理論簡介

TRIZ理論是G·S·Altshuller為主的前蘇聯(lián)科研人員，通過對數(shù)百萬件發(fā)明專利分析、研究和綜合多學(xué)科領(lǐng)域知識的基礎(chǔ)上，形成的理論體系。TRIZ理論提出用39個通用技術(shù)參數(shù)來描述問題，通過這39個通用技術(shù)參數(shù)，可以將一個具體問題表達(dá)為一個TRIZ問題。

這些通用技術(shù)參數(shù)是：運動物體的重量，靜止物體的重量，運動物體的長度，靜止物體的長度，運動物體的面積，靜止物體的面積，運動物體的體積，靜止物體的體積，速度，力，應(yīng)力或壓力，形狀，溫度，光照度，功率，結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，強度，可靠性，測試精度，制造精度，可制造性，可操作性，可維修性，適應(yīng)性及多用性，裝置的復(fù)雜性，監(jiān)控與測試的困難程度，自動化程度，生產(chǎn)率，運動物體作用時間，靜止物體作用時間，運動物體的能量，靜止物體的能量，能量損失，物質(zhì)損失，信息損失，時間損失，物質(zhì)或事物的數(shù)量，物體外部有害因素，物體內(nèi)部有害因素。

同時，TRIZ理論提煉出40個最重要的、具有普遍用途的發(fā)明原理，這40個發(fā)明原理按照序號1～40分別為：分割，抽取，局部質(zhì)量，增加不對稱性，組合合并，多用性，嵌套，重量補償，預(yù)先反作用，預(yù)先作用，事先防范，等勢性，反向作用，曲面化，動態(tài)化，未達(dá)到或過度的作用，維數(shù)變化，振動，周期性作用，有效作用的連續(xù)性，減少有害作用的時間，變有害為有益，反饋，借助中介物，自服務(wù)，復(fù)制，廉價替代品，機械系統(tǒng)替代，氣壓或液壓結(jié)構(gòu)，柔性殼體或薄膜，多孔材料，改變顏色，同質(zhì)性，拋棄或再生，物理化學(xué)參數(shù)變化，相變，熱膨脹，加速氧化，惰性環(huán)境和復(fù)合材料。

在產(chǎn)品改進過程中，如何選用上述發(fā)明原理來指導(dǎo)改進工作，TRIZ理論提出了矛盾矩陣，該矩陣將上述的39個通用技術(shù)參數(shù)與40個發(fā)明原理建立對應(yīng)關(guān)系，很好地解決了改進過程中如何選擇發(fā)明原理的難題[4]。

2.2 TR I Z理論在機械實驗教學(xué)體系中的應(yīng)用

當(dāng)前，機械基礎(chǔ)實驗教學(xué)體系需要大力培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維與創(chuàng)新能力，從上面的介紹看到，TRIZ理論是一個系統(tǒng)地指導(dǎo)人們創(chuàng)新和解決各種問題的理論。TRIZ理論在機械基礎(chǔ)實驗教學(xué)中有三方面的應(yīng)用。

（1）TRIZ發(fā)明原理直接應(yīng)用機械基礎(chǔ)實驗教學(xué)體系中。TRIZ理論的40條發(fā)明原理可以直接指導(dǎo)學(xué)生進行創(chuàng)新設(shè)計，解決一些實驗中碰到的問題。例如在機構(gòu)創(chuàng)新組合實驗中，可以用組合合并、分割、嵌套、替代等發(fā)明原理，解決如何使設(shè)計的機構(gòu)達(dá)到機構(gòu)功能要求的問題。

（2）TRIZ理論中的沖突解決原理，為教師和學(xué)生提供實驗過程各種沖突的解決指南。TRIZ理論的主體部分是解決沖突，對解決物理沖突和技術(shù)沖突都有一整套比較規(guī)范的流程，如圖1所示，技術(shù)沖突解決的基本過程為：沖突的分析，沖突的標(biāo)準(zhǔn)化描述，查閱TRIZ理論沖突矩陣，找到相應(yīng)的發(fā)明原理，根據(jù)對應(yīng)的發(fā)明原理進行沖突的求解。TRIZ理論解決沖突的關(guān)鍵，是沖突的分析與沖突的標(biāo)準(zhǔn)描述。

（3）TRIZ理論系統(tǒng)進化理論、物質(zhì)-場分析、ARIZ算法等作為進階創(chuàng)新實驗的指導(dǎo)思路進行問題求解，如創(chuàng)新軸系組合設(shè)計中物質(zhì)-場分析能為密封圈磨損有害作用消除提供標(biāo)準(zhǔn)解法。機械基礎(chǔ)實驗中碰到的實際問題很多，有時不一定是沖突問題，而有些是系統(tǒng)改進、有害作用消除、復(fù)雜非標(biāo)準(zhǔn)發(fā)明問題，應(yīng)用產(chǎn)品系統(tǒng)進化論、物質(zhì)-場分析、ARIZ算法可以較好地解決。

圖1 技術(shù)沖突解決流程

3 基于TR I Z理論的創(chuàng)新實驗教學(xué)體系的構(gòu)建

為了激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新熱情，引入TRIZ理論，構(gòu)建機械基礎(chǔ)實驗教學(xué)體系如圖2所示，實驗體系由驗證性實驗、設(shè)計性實驗、綜合性實驗、創(chuàng)新性實驗組成，其中創(chuàng)新性實驗主要突出創(chuàng)新能力培養(yǎng)。

圖2 機械基礎(chǔ)實驗教學(xué)體系

本實驗體系中增加的創(chuàng)新性實驗，分別是機構(gòu)創(chuàng)意設(shè)計實驗、組合式軸系設(shè)計實驗、機械系統(tǒng)創(chuàng)意設(shè)計實驗。

其中機構(gòu)創(chuàng)意設(shè)計實驗，主要是對常見的機構(gòu)進行創(chuàng)意組合，由學(xué)生自己設(shè)計機構(gòu)用途，設(shè)計機構(gòu)簡圖，最后根據(jù)簡圖搭建機構(gòu)，并分析其合理性。

組合式軸系設(shè)計實驗，主要是提供一定數(shù)量的齒輪類、軸類、套筒類、端蓋類、支座類、軸承類等，學(xué)生進行圓柱齒輪、圓錐齒輪和蝸桿軸系的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計，解決軸承類型選擇、軸上零件的定位、軸承安裝、間隙調(diào)整、潤滑和密封等問題，并進行結(jié)構(gòu)圖繪制，受力分析等，解決其中的一些矛盾與沖突。

機械系統(tǒng)創(chuàng)意設(shè)計實驗，是要求學(xué)生按照一定的設(shè)計要求，設(shè)計一個機械或者一個簡單系統(tǒng)，并進行一個完成的設(shè)計，包括功能原理分析、力的分析、強度計算與校核等。

在創(chuàng)新性實驗中，指導(dǎo)學(xué)生充分采用TRIZ理論進行創(chuàng)新設(shè)計。例如，例如設(shè)計一種創(chuàng)新性螺絲刀，希望能夠快速省力。采用TRIZ理論進行求解過程為：首先分析這個題目的工程特性，在39個標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)中找到合適的描述，即“＃10力”、“＃25時間損失”、“＃33可操作性”作為改善的工程特性。對于工程特性“＃10力”出現(xiàn)率較高的發(fā)明原理有：參數(shù)變化、預(yù)操作、狀態(tài)變化、熱膨脹、動態(tài)化、分隔、分離等；對于“＃33可操作性”出現(xiàn)率較高的發(fā)明原理有：分隔、反向、分離、參數(shù)變化、動態(tài)化、維數(shù)變化、等勢性等。根據(jù)這些發(fā)明原理，可以設(shè)計出許多創(chuàng)新的螺絲刀出來（如圖3所示）。

圖3 螺絲刀創(chuàng)新設(shè)計實例[5]

在實踐中，這些創(chuàng)新性實驗僅給出實驗項目，要求學(xué)生自己調(diào)研、查閱參考文獻、確定具體的實驗方法、討論并確定實驗的實施方案、確定具體的實驗步驟、參照TRIZ理論解決實驗中的具體問題獲得創(chuàng)新解、相關(guān)實驗裝置設(shè)備準(zhǔn)備及實施實驗、寫成實驗報告，通過這些流程鍛煉學(xué)生獨立思考、團隊協(xié)助、創(chuàng)新思考的能力。這個過程中教師要注意引導(dǎo)，適當(dāng)?shù)臅r機給予提示，主要還是放手讓學(xué)生自己動手。

4 結(jié)束語

通過引入TRIZ理論到實驗教學(xué)中，將其中發(fā)明原理和沖突解決原理應(yīng)用于機械基礎(chǔ)創(chuàng)新實驗教學(xué)體系，幫助學(xué)生解決實驗中的問題，給學(xué)生創(chuàng)新思考方式的指導(dǎo)，提高學(xué)生創(chuàng)新思維和實踐動手能力。本實驗教學(xué)體系在實踐中發(fā)揮了較好的作用，并將繼續(xù)在實踐中提煉基于機械基礎(chǔ)實驗的問題案例，以快速提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

[1]楊 洋，席 平，張玉茹.注重素質(zhì)，面向創(chuàng)新，構(gòu)建機械基礎(chǔ)實驗教學(xué)體系[J].實驗技術(shù)與管理，2008,25(1):11-15.

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[5]安小凡.基于TRIZ的機械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計方法研究[D].天津:天津大學(xué)，2007.