張鵬躍，劉爽爽，黃文靜，王紅光

（河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)智能制造學(xué)院，河北 石家莊 050091）

0 引言

“三維機(jī)械設(shè)計(jì)”課程是機(jī)械類專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課，是學(xué)生掌握三維數(shù)字化設(shè)計(jì)的重要理實(shí)一體化教學(xué)環(huán)節(jié)。該課程屬于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造課程，主要教學(xué)內(nèi)容為軟件的基本操作、零件的三維建模、裝配體設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)仿真以及工程圖繪制等[1]。常用的三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件有UG、PROE、SolidWorks等，然而在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，無(wú)論使用哪一款建模軟件進(jìn)行教學(xué)，都會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)問(wèn)題：一是重理論輕實(shí)踐，即重點(diǎn)講授基礎(chǔ)建模命令，缺少具體建模過(guò)程，學(xué)生無(wú)法獨(dú)立完成零部件的建模；二是缺乏真實(shí)工作情境，學(xué)生只是針對(duì)基礎(chǔ)建模命令或者單獨(dú)的模型案例進(jìn)行訓(xùn)練，無(wú)法形成系統(tǒng)性思維，在日后的工作中難以做到學(xué)以致用。

針對(duì)教學(xué)過(guò)程中的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者應(yīng)用TRIZ 理論做了諸多研究和探索，并提出了相應(yīng)的改革方式。東北大學(xué)秦皇島分校的陳硯、單泉等人，使用TRIZ 技術(shù)沖突矩陣?yán)碚搶?duì)機(jī)械基礎(chǔ)課程實(shí)驗(yàn)進(jìn)行教學(xué)改革，解決了實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目數(shù)量和復(fù)雜度增加的矛盾，提升了學(xué)生的創(chuàng)新能力[2]。天津工業(yè)大學(xué)尚志武、劉欣、王天琪提出了一種融合TRIZ 創(chuàng)新方法的理論、實(shí)踐和素質(zhì)拓展三位一體的創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式，建立了一種覆蓋范圍廣、可操作性強(qiáng)、高效率的理工科大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式，推動(dòng)了理工科大學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系和模式的改革[3]。山東理工大學(xué)的張曉君、李海洲等將TRIZ 創(chuàng)新方法融入采礦專業(yè)課程教學(xué)，能較好地提升學(xué)生的創(chuàng)新能力，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量[4]。東南大學(xué)成賢學(xué)院的郁佳佳、左梅基于TRIZ創(chuàng)新理論對(duì)“信號(hào)與系統(tǒng)”課程教學(xué)模式進(jìn)行了探索，通過(guò)將TRIZ 關(guān)于技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)明的思維方法引入課程教學(xué)活動(dòng)中，提升了創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力[5]。綜上所述，將TRIZ理論應(yīng)用于課程教學(xué)改革中，能較好地解決教學(xué)過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題，并提升學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和能力。

1 TRIZ理論概述

TRIZ 是俄文Teoriya Resheniya Izobreatatel-skikh Zadatch 的縮寫，譯為“發(fā)明問(wèn)題解決理論（Theory of Innovative Problem Solving，TIPS）”，是G.S.Altshuller對(duì) 250萬(wàn)件發(fā)明專利進(jìn)行整理、歸納、提煉和重組，建立的系統(tǒng)化創(chuàng)新問(wèn)題解決方法。經(jīng)過(guò)70 年的發(fā)展，其應(yīng)用范圍已涵蓋工程技術(shù)、管理、醫(yī)學(xué)、服務(wù)等領(lǐng)域[6]。TRIZ理論的主要內(nèi)容由技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則、矛盾矩陣、物—場(chǎng)分析、ARIZ、科學(xué)效應(yīng)等方法或工具構(gòu)成，解決問(wèn)題首先需要將具體領(lǐng)域中的特殊問(wèn)題表達(dá)成TRIZ 中的標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題，然后利用各種方法和工具進(jìn)行求解，得到的標(biāo)準(zhǔn)解也稱為普適解或模擬解，最后將標(biāo)準(zhǔn)解轉(zhuǎn)化為特殊問(wèn)題的解，如圖1所示。

圖1 TRIZ 解決問(wèn)題的流程

矛盾矩陣法是解決實(shí)際問(wèn)題較為常用的方法，它定義了39 個(gè)通用工程參數(shù)，可以表達(dá)出實(shí)際工程中出現(xiàn)的絕大部分技術(shù)內(nèi)容。解決問(wèn)題的過(guò)程中，如果兩個(gè)參數(shù)之間相互制約，就形成了一對(duì)技術(shù)矛盾，技術(shù)矛盾對(duì)應(yīng)了相應(yīng)的發(fā)明原理，發(fā)明原理共計(jì)40 條。將技術(shù)矛盾與發(fā)明原理一一對(duì)應(yīng)，就形成了39×39 的沖突矩陣[7]。發(fā)明原理指明了技術(shù)改進(jìn)的方向，將專業(yè)領(lǐng)域的知識(shí)、技術(shù)手段與創(chuàng)新原理相結(jié)合，就能夠形成具體的問(wèn)題解法。

2 TRIZ 理論在“三維機(jī)械設(shè)計(jì)”課程教學(xué)改革中的應(yīng)用

2.1 問(wèn)題描述

針對(duì)三維建模設(shè)計(jì)教學(xué)過(guò)程中實(shí)際存在的兩個(gè)問(wèn)題，依據(jù)TRIZ 理論，將其轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)問(wèn)題。在課時(shí)量一定的情況下，講授理論環(huán)節(jié)和實(shí)踐操作環(huán)節(jié)構(gòu)成一對(duì)主要矛盾，單純地“講授理論”會(huì)造成學(xué)生缺乏獨(dú)立思考能力，無(wú)法獨(dú)立完成零件的建模，對(duì)應(yīng)39 個(gè)工程參數(shù)中的“No.38 自動(dòng)化程度”，是惡化的參數(shù)?！皩?shí)踐操作”是學(xué)生根據(jù)建模要求獨(dú)立完成零件的具體建模過(guò)程，對(duì)應(yīng)39 個(gè)工程參數(shù)中的“No.35可操作性”，是改善的參數(shù)。

為加強(qiáng)實(shí)踐操作環(huán)節(jié)，常采用項(xiàng)目化教學(xué)方式，將建模命令融入到多個(gè)項(xiàng)目案例中，使得學(xué)生邊學(xué)邊做。但由于項(xiàng)目案例多是獨(dú)立的三維模型個(gè)體，項(xiàng)目之間關(guān)聯(lián)性較差，而真實(shí)的三維機(jī)械設(shè)計(jì)情境是每個(gè)零件的設(shè)計(jì)步驟環(huán)環(huán)相扣且各個(gè)零件之間緊密關(guān)聯(lián)，這就使得學(xué)生無(wú)法形成系統(tǒng)性思維，在日后的工作中難以獨(dú)立設(shè)計(jì)出機(jī)械產(chǎn)品?！绊?xiàng)目案例過(guò)多且零散”對(duì)應(yīng)39 個(gè)工程參數(shù)中的“No.26 物質(zhì)或事物的數(shù)量”，是惡化的參數(shù)?！皩W(xué)生能夠獨(dú)立設(shè)計(jì)機(jī)械產(chǎn)品，適應(yīng)多種工作場(chǎng)景”對(duì)應(yīng)39 個(gè)工程參數(shù)中的“No.35 適應(yīng)性及多用性”，是改善的參數(shù)。

2.2 問(wèn)題求解

基于TRIZ 沖突矩陣?yán)碚?，?duì)上述問(wèn)題進(jìn)行求解。問(wèn)題一中要改善的工程參數(shù)是“No.35可操作性”，不想被惡化的參數(shù)是“No.38 自動(dòng)化程度”，查找TRIZ 沖突矩陣表[7]可以得到相應(yīng)的發(fā)明原理，如表1所示，分別是：No.1分割原則；No.34部分剔除和再生原則；No.12等勢(shì)原則；No.3局部性質(zhì)原則。No.1分割原則是指a.將物體分成獨(dú)立的部分，b.使物體成為可拆卸的，增加物體的分割程度；No.34 部分剔除和再生原則是指a.已完成自己的使命或已無(wú)用的物體部分應(yīng)當(dāng)剔除(溶解、蒸發(fā)等)或在工作過(guò)程中直接變化，b.消除的部分應(yīng)當(dāng)在工作過(guò)程中直接再生；No.12 等勢(shì)原則是指改變工作條件，使物體上升或下降；No.3局部性質(zhì)原則是指a.從物體或外部介質(zhì)(外部作用)的一致結(jié)構(gòu)過(guò)渡到不一致結(jié)構(gòu)，b.物體的不同部分應(yīng)當(dāng)具有不同的功能，c.物體的每一部分均應(yīng)具備最適于它工作的條件。

表1 沖突矩陣簡(jiǎn)表1

通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)解的篩選，發(fā)現(xiàn)No.1 分割原則可以使用，將其轉(zhuǎn)化為三維機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)中的領(lǐng)域解。在教學(xué)過(guò)程中，將每節(jié)課分割成講授基本命令環(huán)節(jié)、教師操作演示環(huán)節(jié)以及學(xué)生實(shí)踐練習(xí)環(huán)節(jié)。首先對(duì)項(xiàng)目案例進(jìn)行分析，講授基本建模命令，加深學(xué)生對(duì)建模命令和建模常識(shí)的理解，該環(huán)節(jié)約占課堂學(xué)時(shí)的1/5。接下來(lái)教師操作演示完成該項(xiàng)目模型的具體建模步驟，培養(yǎng)學(xué)生的建模思維和設(shè)計(jì)意識(shí)，該環(huán)節(jié)同樣占課堂學(xué)時(shí)的1/5左右。最后，學(xué)生使用建模軟件完成項(xiàng)目模型的建模任務(wù)，訓(xùn)練學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的能力，該環(huán)節(jié)占課堂學(xué)時(shí)的3/5左右。對(duì)于比較優(yōu)秀的學(xué)生，還可以采用任務(wù)拓展式教學(xué)，在原有模型基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新意識(shí)。

問(wèn)題二中要改善的工程參數(shù)是“No.35 適應(yīng)性及多用性”，不想被惡化的參數(shù)是“No.26 物質(zhì)或事物的數(shù)量”，查找TRIZ沖突矩陣表可以得到相應(yīng)的發(fā)明原理，如表2所示，分別是：No.3 局部性質(zhì)原則；No.15 動(dòng)態(tài)原則；No.35 改變物體聚合態(tài)原則。No.3 局部性質(zhì)原則是指a.從物體或外部介質(zhì)(外部作用)的一致結(jié)構(gòu)過(guò)渡到不一致結(jié)構(gòu)，b.物體的不同部分應(yīng)當(dāng)具有不同的功能，c.物體的每一部分均應(yīng)具備最適于它工作的條件；No.15 動(dòng)態(tài)原則是指a.物體(或外部介質(zhì)）的特性的變化應(yīng)當(dāng)在每一工作階段都是最佳的，b.將物體分成彼此相對(duì)移動(dòng)的幾個(gè)部分，c.使不動(dòng)的物體成為動(dòng)的；No.35 是指改變物體聚合態(tài)原則，這里包括的不僅是簡(jiǎn)單的過(guò)渡，例如從固態(tài)過(guò)渡到液態(tài)，還有向“假態(tài)”(假液態(tài))和中間狀態(tài)的過(guò)渡，例如采用彈性固體。

表2 沖突矩陣簡(jiǎn)表2

通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)解的篩選，發(fā)現(xiàn)No.15 動(dòng)態(tài)原則可以使用，將其轉(zhuǎn)化為三維機(jī)械設(shè)計(jì)教學(xué)中的領(lǐng)域解。依據(jù)動(dòng)態(tài)原則，將“三維機(jī)械設(shè)計(jì)”課程劃分為多個(gè)教學(xué)階段，依次是零件建模階段、裝配體設(shè)計(jì)階段、運(yùn)動(dòng)仿真階段、有限元分析階段、工程圖階段以及后續(xù)的加工制造階段，每個(gè)階段包含多個(gè)相關(guān)的項(xiàng)目案例，每個(gè)項(xiàng)目案例又包含相應(yīng)的建模命令。上一階段與下一階段之間緊密銜接，共同構(gòu)成一個(gè)完整的真實(shí)項(xiàng)目。教學(xué)過(guò)程中，采用企業(yè)真實(shí)的機(jī)械產(chǎn)品作為項(xiàng)目案例，將該案例分解為建模、裝配、仿真、工程圖等階段，并構(gòu)建實(shí)際的工作情境，從而培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)性思維，提高三維機(jī)械設(shè)計(jì)能力。

3 “三維機(jī)械設(shè)計(jì)”課程教學(xué)改革實(shí)踐案例

依據(jù)TRIZ理論的分析，對(duì)原有的“三維機(jī)械設(shè)計(jì)”課程的教學(xué)方式進(jìn)行了改革。在教學(xué)過(guò)程中，以制造類企業(yè)中常用的機(jī)用虎鉗為項(xiàng)目案例，將機(jī)用虎鉗的設(shè)計(jì)分解為六個(gè)階段，依次是零件建模階段、裝配體設(shè)計(jì)階段、運(yùn)動(dòng)仿真階段、有限元分析階段、工程圖階段以及加工制造階段，如圖2所示。各個(gè)階段之間相互關(guān)聯(lián)，上一個(gè)階段任務(wù)是下一個(gè)階段任務(wù)開(kāi)展的前提基礎(chǔ)，下一個(gè)階段任務(wù)是上一個(gè)階段任務(wù)的綜合應(yīng)用。每個(gè)階段又包含有相關(guān)的分項(xiàng)目，每個(gè)分項(xiàng)目又包含有相應(yīng)的建模命令。比如零件建模階段，包含有活動(dòng)鉗身、固定鉗身、螺桿、護(hù)口板等零件，而活動(dòng)鉗身包含有拉伸命令、圓角命令以及異形孔命令，螺桿包含有掃描、倒角等命令。再比如裝配體設(shè)計(jì)階段，包含有虎鉗裝配和爆炸視圖兩個(gè)項(xiàng)目案例，虎鉗裝配包含有插入零部件、添加配合等命令，爆炸視圖包含有爆炸視圖的制作、動(dòng)畫的生成等命令。無(wú)論教學(xué)過(guò)程進(jìn)入到哪個(gè)階段，都是以教師講授建模命令為輔，以學(xué)生實(shí)踐操作練習(xí)為主。學(xué)生在真實(shí)的工作情境中學(xué)習(xí)完虎鉗的項(xiàng)目案例后，不僅掌握了相應(yīng)的建模命令，而且培養(yǎng)了系統(tǒng)性思維，能夠獨(dú)立設(shè)計(jì)機(jī)械產(chǎn)品，創(chuàng)新意識(shí)也得到了提升。

圖2 機(jī)用虎鉗項(xiàng)目案例和設(shè)計(jì)流程

自“三維機(jī)械設(shè)計(jì)”課程改革以來(lái)，取得了豐碩的教學(xué)成果，學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新意識(shí)大大提升。2019年以來(lái)，學(xué)生在中國(guó)第一屆職業(yè)技能大賽河北選拔賽-增材制造、全國(guó)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽、“CAD 三維機(jī)械設(shè)計(jì)大賽”工業(yè)產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造賽項(xiàng)、第九屆全國(guó)數(shù)控技能大賽河北選拔賽、“互聯(lián)網(wǎng)+”全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽、“發(fā)明杯”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽等賽項(xiàng)中，獲國(guó)家級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)3 項(xiàng)，省級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)5項(xiàng)，并完成了河北省“雙師型”教師能力提升-3D 打印及逆向工程技術(shù)培訓(xùn)的三維建模部分，學(xué)員好評(píng)如潮，充分說(shuō)明了改革方式的可行性，改革結(jié)果的有效性。

4 結(jié)論

1）基于TRIZ理論，提出了一種面向真實(shí)工作情境的項(xiàng)目化教學(xué)方式，將教學(xué)過(guò)程合理劃分為講授基本命令環(huán)節(jié)、教師操作演示環(huán)節(jié)以及學(xué)生實(shí)踐練習(xí)環(huán)節(jié)，并采用企業(yè)真實(shí)的產(chǎn)品作為項(xiàng)目案例，將設(shè)計(jì)過(guò)程分解成多個(gè)緊密銜接的階段，以培養(yǎng)學(xué)生系統(tǒng)性思維，解決了“三維機(jī)械設(shè)計(jì)”課程教學(xué)過(guò)程中出現(xiàn)的重理論輕實(shí)踐以及學(xué)生難以學(xué)以致用的問(wèn)題。

2）經(jīng)過(guò)多年的教學(xué)實(shí)踐表明，采用該教學(xué)方式授課，學(xué)生的三維機(jī)械設(shè)計(jì)能力和創(chuàng)新意識(shí)得到了明顯提升，充分說(shuō)明了教學(xué)改革可行且有效。