邊義祥 丁 淵

（揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，揚(yáng)州 225127）

TRIZ機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法的教學(xué)軟件設(shè)計(jì)

邊義祥 丁 淵

（揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，揚(yáng)州 225127）

TRIZ創(chuàng)新理論和創(chuàng)新方法是機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)本科教程的重要組成部分。為了提高教學(xué)效率，將TRIZ理論中的39個(gè)工程參數(shù)、40個(gè)發(fā)明原理和創(chuàng)新問(wèn)題的求解過(guò)程編成計(jì)算機(jī)教學(xué)軟件，主要包括數(shù)據(jù)初始化模塊、創(chuàng)新對(duì)象選擇模塊、技術(shù)矛盾解決模塊(TRIZ分析模塊)、解決方案輸出模塊等內(nèi)容。教學(xué)實(shí)踐表明，學(xué)生使用這一軟件能夠較快地掌握TRIZ創(chuàng)新理論和方法。

機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì) TRIZ 創(chuàng)新方法 教學(xué)軟件

創(chuàng)新是人類文明進(jìn)步的原始動(dòng)力，是技術(shù)進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)發(fā)展的原動(dòng)機(jī)。在人類發(fā)展過(guò)程中，創(chuàng)新起到了決定性作用。近年來(lái)，我國(guó)的機(jī)械產(chǎn)業(yè)取得了長(zhǎng)足發(fā)展。但是，和世界發(fā)達(dá)國(guó)建相比，還有很大差距。利用機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)，一方面可以促進(jìn)我國(guó)機(jī)械產(chǎn)業(yè)更快發(fā)展；另一方面，也能快速提升我國(guó)的設(shè)計(jì)能力，縮短和發(fā)達(dá)國(guó)家的差距。機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)是指充分發(fā)揮機(jī)械設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)造性思維，利用原有的機(jī)械及其他學(xué)科的基礎(chǔ)知識(shí)，進(jìn)行具有創(chuàng)新性的構(gòu)思，設(shè)計(jì)出具有實(shí)用性、創(chuàng)造性以及新穎性的機(jī)構(gòu)或機(jī)械產(chǎn)品。在大學(xué)階段，必須在大學(xué)本科生的課程學(xué)習(xí)過(guò)程中，加強(qiáng)其機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的培養(yǎng)和鍛煉，使學(xué)生畢業(yè)時(shí)能夠具有基本的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)和一定的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力，以適應(yīng)未來(lái)的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)工作。

在《機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)》的課堂教學(xué)過(guò)程中，教材中涉及的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法較多。但是，大部分創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法的教學(xué)可操作性不強(qiáng)，無(wú)法對(duì)學(xué)生進(jìn)行切實(shí)可行的實(shí)際訓(xùn)練，教學(xué)效果也不太理想。針對(duì)這一問(wèn)題，將國(guó)際上通用的TRIZ創(chuàng)新理論和創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法編成計(jì)算機(jī)軟件，可以針對(duì)某一具體的機(jī)械設(shè)計(jì)問(wèn)題，通過(guò)該軟件對(duì)學(xué)生進(jìn)行機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)訓(xùn)練[1]。這種教學(xué)方式更為直觀，學(xué)生參與意識(shí)較強(qiáng)，教學(xué)效率和教學(xué)效果較好[2-3]?，F(xiàn)有的商業(yè)化TRIZ創(chuàng)新設(shè)計(jì)軟件，價(jià)格較為昂貴，且如果要能熟練運(yùn)用，需要較長(zhǎng)時(shí)間的專業(yè)培訓(xùn)，不太適合普通本科機(jī)械專業(yè)的教學(xué)使用[4]。

本文在多年TRIZ創(chuàng)新設(shè)計(jì)教學(xué)實(shí)踐的基礎(chǔ)上，運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)，將TRIZ創(chuàng)新方法的基本內(nèi)容編寫成一個(gè)創(chuàng)新設(shè)計(jì)教學(xué)軟件，并應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)專業(yè)的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)教學(xué)中，獲得了良好的教學(xué)效果。

1 TRIZ理論

TRIZ是“發(fā)明問(wèn)題解決理論”的俄文詞頭縮寫，全稱為Theory of Inventive Problems Solving，是前蘇聯(lián)著名科學(xué)家Genrich S. Altshuller領(lǐng)導(dǎo)的專門研究機(jī)構(gòu)，在分析當(dāng)時(shí)世界近250萬(wàn)件具有較高水平的發(fā)明專利的基礎(chǔ)上，綜合多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的科學(xué)原理和科學(xué)法則，提出的一套有關(guān)創(chuàng)新發(fā)明的理論體系。該理論揭示了不同學(xué)科的科研人員在進(jìn)行創(chuàng)新發(fā)明時(shí)，都應(yīng)該遵循的普遍的客觀規(guī)律和方法[5]。

TRIZ理論認(rèn)為，科研人員在不同領(lǐng)域的創(chuàng)新活動(dòng)中所用到的原理和方法并不多。不同時(shí)期、不同領(lǐng)域的創(chuàng)造發(fā)明，可以反復(fù)利用相同的基本原理。來(lái)自數(shù)學(xué)、化學(xué)、物理以及不同的工程領(lǐng)域的基本原理，經(jīng)過(guò)融合后形成新的創(chuàng)新原理，并可以被反復(fù)應(yīng)用于不同領(lǐng)域的創(chuàng)造發(fā)明。在一個(gè)科學(xué)領(lǐng)域中發(fā)生在創(chuàng)新設(shè)計(jì)中的沖突以及此沖突的解決原理，也可以在其他科學(xué)領(lǐng)域中稍加改變后加以應(yīng)用。在某一個(gè)科學(xué)領(lǐng)域中發(fā)現(xiàn)的新原理、技術(shù)系統(tǒng)的發(fā)展模式，在不同的科學(xué)領(lǐng)域可能交替出現(xiàn)。解決某一領(lǐng)域的具體創(chuàng)新設(shè)計(jì)的科學(xué)原理，也可能是屬于其他領(lǐng)域的科學(xué)原理。

TRIZ理論和創(chuàng)新方法，是一套具有系統(tǒng)性、基于科學(xué)知識(shí)的創(chuàng)新方法體系，包括創(chuàng)新性思維方式、分析問(wèn)題的具體工具以及基于科學(xué)知識(shí)的解決創(chuàng)新問(wèn)題的工具等[6]。具體內(nèi)容包括：技術(shù)系統(tǒng)中八大進(jìn)化原理、最終產(chǎn)生理想解的途徑、40條發(fā)明創(chuàng)新原理、39個(gè)具體工程參數(shù)及由此組成的矛盾矩陣、物理矛盾和四大解決矛盾的分離原理、物-場(chǎng)理論模型分析、創(chuàng)新問(wèn)題的標(biāo)準(zhǔn)解、發(fā)明問(wèn)題解決算法、所產(chǎn)生的科學(xué)效應(yīng)和基礎(chǔ)知識(shí)庫(kù)等[7]。

對(duì)于具體的創(chuàng)新設(shè)計(jì)問(wèn)題，基于TRIZ理論的求解過(guò)程，如圖1所示，即首先對(duì)具體創(chuàng)新設(shè)計(jì)中遇到的矛盾問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)分析，將已知的基礎(chǔ)條件、受到的相關(guān)約束和最終要得到的最優(yōu)解，用TRIZ理論中的39個(gè)具體的工程參數(shù)表示。這樣就可以將具體的創(chuàng)新設(shè)計(jì)問(wèn)題轉(zhuǎn)化成TRIZ理論中的標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題。然后，再運(yùn)用TRIZ理論中的40個(gè)發(fā)明原理求解這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題，得到這一問(wèn)題的標(biāo)準(zhǔn)解。最后，再運(yùn)用這一科學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識(shí)、相關(guān)原理和知識(shí)，將標(biāo)準(zhǔn)解轉(zhuǎn)化成針對(duì)這一具體創(chuàng)新設(shè)計(jì)問(wèn)題的解決方案，從而得到最終的設(shè)計(jì)方案。

圖1 基于TRIZ理論的求解過(guò)程

2 機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)

將TRIZ理論和信息技術(shù)相結(jié)合，用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)TRIZ機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，可以在創(chuàng)新思維思考階段將思維過(guò)程用標(biāo)準(zhǔn)化方法和步驟實(shí)施。大學(xué)生也可以通過(guò)此教學(xué)軟件，快速掌握TRIZ創(chuàng)新理論和方法。

2.1 系統(tǒng)流程圖

該教學(xué)軟件系統(tǒng)的流程圖，如圖2所示。在進(jìn)入本系統(tǒng)后，首先經(jīng)過(guò)分析，用TRIZ理論的觀點(diǎn)確定問(wèn)題。因?yàn)橹挥写_定了待研究的問(wèn)題，才能繼續(xù)尋找具體的研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)創(chuàng)新問(wèn)題的矛盾所在。待研究問(wèn)題確定后，進(jìn)入研究對(duì)象的選擇模塊。選擇合適的設(shè)計(jì)對(duì)象后，進(jìn)入TRIZ分析模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)對(duì)象的功能分析，確定研究對(duì)象中是否存在矛盾。若存在矛盾，則進(jìn)入TRIZ理論的發(fā)明原理解決模塊，并提出合適的解決方案；若不存在矛盾，則直接提出設(shè)計(jì)方案。然后，對(duì)提出的方案進(jìn)行評(píng)價(jià)選擇。如果不滿意，則回到功能分析階段重新開(kāi)始；若產(chǎn)生的方案可行，則輸出產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案。方案的輸出，直接存入問(wèn)題解決事例庫(kù)。

圖2 軟件流場(chǎng)圖

2.2 系統(tǒng)模塊

機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)教學(xué)軟件系統(tǒng)由登陸模塊、數(shù)據(jù)初始化模塊、創(chuàng)新對(duì)象選擇模塊、技術(shù)矛盾解決模塊（TRIZ分析模塊）、解決方案輸出模塊等組成。其中，登錄模塊主要是用戶權(quán)限管理模塊。數(shù)據(jù)初始化模塊是把需要的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，以方便程序運(yùn)行時(shí)調(diào)用。系統(tǒng)中用到的數(shù)據(jù)主要是工程參數(shù)解釋、發(fā)明原理解釋、原理應(yīng)用實(shí)例等。為了數(shù)據(jù)庫(kù)建立以及程序調(diào)用的方便，將所需數(shù)據(jù)表建在同一個(gè)“發(fā)明原理”數(shù)據(jù)庫(kù)中。

TRIZ分析模塊是系統(tǒng)的另一個(gè)重要部分。該模塊主要通過(guò)矛盾解決矩陣，分析選擇出來(lái)的對(duì)象中存在的矛盾，解決創(chuàng)新設(shè)計(jì)中“如何做”的問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械部件、系統(tǒng)的創(chuàng)新。確定創(chuàng)新設(shè)計(jì)對(duì)象后，進(jìn)行功能分析并確定優(yōu)化參數(shù)、惡化參數(shù)。此時(shí)，在軟件系統(tǒng)中，首先選擇相應(yīng)的參數(shù)。如果對(duì)有的參數(shù)不熟悉，可以進(jìn)行簡(jiǎn)明意義查詢。其次，根據(jù)矛盾矩陣表的數(shù)據(jù)，得出推薦的TRIZ發(fā)明原理。該步驟也可以進(jìn)行發(fā)明原理的意義查詢。再次，可以看到相應(yīng)發(fā)明原理的應(yīng)用實(shí)例，從中得到啟發(fā)。最后是一些已經(jīng)解決了的問(wèn)題的紀(jì)錄，可以查詢、修改及刪除，并且可以將剛解決問(wèn)題的新記錄添加到數(shù)據(jù)庫(kù)。

技術(shù)矛盾解決模塊可以與創(chuàng)新對(duì)象選擇模塊組合使用，也可以單獨(dú)使用。對(duì)于問(wèn)題比較復(fù)雜、不能清楚確定產(chǎn)品創(chuàng)新研究對(duì)象時(shí)，需要應(yīng)用創(chuàng)新對(duì)象選擇模塊，為產(chǎn)品創(chuàng)新方案設(shè)計(jì)提供明確的產(chǎn)品創(chuàng)新研究對(duì)象。而當(dāng)問(wèn)題比較簡(jiǎn)單、研究對(duì)象明確時(shí)，為縮短產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的時(shí)間，可以跳過(guò)創(chuàng)新對(duì)象選擇模塊，直接進(jìn)行產(chǎn)品創(chuàng)新方案設(shè)計(jì)。最后的方案評(píng)價(jià)階段，也應(yīng)用了前面介紹的產(chǎn)品創(chuàng)新方案的評(píng)價(jià)模型。軟件的運(yùn)行界面，如圖3所示。

圖3 軟件界面

3 教學(xué)效果

機(jī)械專業(yè)大四的本科生，在學(xué)習(xí)TRIZ理論的基礎(chǔ)知識(shí)后，可以通過(guò)本教學(xué)軟件的培訓(xùn)，進(jìn)行機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)的實(shí)際操作。通過(guò)近5年的教學(xué)實(shí)踐來(lái)看，機(jī)械設(shè)計(jì)及其自動(dòng)化專業(yè)的本科生，經(jīng)過(guò)本軟件大約1周左右的培訓(xùn)和訓(xùn)練，基本能夠掌握TRIZ理論中的主要內(nèi)容，大部分能夠較熟練地運(yùn)用本軟件，解決機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)中遇到的一些較為常見(jiàn)的矛盾問(wèn)題。可見(jiàn)，本教學(xué)軟件可以幫助大學(xué)生快速掌握TRIZ創(chuàng)新理論和方法，提高學(xué)生的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力和獨(dú)立工作的能力，培養(yǎng)學(xué)生的工程創(chuàng)新意識(shí)和工程創(chuàng)新實(shí)踐能力。

參考文獻(xiàn)

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Design of A Teaching Software of Mechanical Innovation Design Based on TRIZ Theory

BIAN Yixiang,DING Yuan
(College of Mechanical Engineering, YangZhou University, Yangzhou 225127)

TRIZ theory and method is an important part of undergraduate teaching of mechanical innovation design. In order to improve the teaching efficiency, the 39 engineering parameters, 40 principles of invention and innovation in the process of solving the problem of TRIZ theory were programmed in a teaching software. The software mainly include data initialization module, innovation object selection module, technical conflict resolution module, i.e. TRIZ analysis module and solution output module.

mechanical innovation, TRIZ, major in mechanical engineering, teaching software