文章編號：1672-5913(2008)08-0118-03

摘要：本文通過對計(jì)算機(jī)組成技術(shù)發(fā)展過程中創(chuàng)新成果的分析，探討了“技術(shù)創(chuàng)新方法”對學(xué)生創(chuàng)新思維培養(yǎng)的重要意義。

關(guān)鍵詞：技術(shù)創(chuàng)新方法；計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)；計(jì)算機(jī)組成技術(shù)；創(chuàng)新

中圖分類號：G642

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

前蘇聯(lián)發(fā)明家阿奇舒勒(G.S.Altshuller)是一個(gè)傳奇式的人物，他在14歲時(shí)就獲得了首個(gè)專利證書。從1946年開始，阿奇舒勒對世界各國250萬份高水平發(fā)明專利進(jìn)行了系統(tǒng)地分析，總結(jié)出人類進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)造解決技術(shù)問題過程所遵循的40個(gè)原理和法則，建立了一個(gè)由解決技術(shù)問題，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新開發(fā)的各種方法、算法組成的具有完整理論體系的創(chuàng)新方法，即“TRIZ理論”(TRIZ是Theory of Inventive Problem Solving的縮寫)。國內(nèi)的正式名稱為“技術(shù)創(chuàng)新方法”。

阿奇舒勒將問題分為常規(guī)問題與發(fā)明問題。所謂問題，就是技術(shù)系統(tǒng)的初始狀態(tài)與理想狀態(tài)之間存在距離。解決問題的過程就是使技術(shù)系統(tǒng)的初始狀態(tài)通過一個(gè)步驟或多個(gè)步驟的變換實(shí)現(xiàn)或接近理想狀態(tài)的過程。如果實(shí)現(xiàn)變換的所有步驟都已知，則要解決的問題屬常規(guī)問題；若至少有一個(gè)步驟未知，則該問題屬發(fā)明問題?！癟RIZ理論”關(guān)注的是解決發(fā)明問題。

“TRIZ理論”引入我國只是近幾年的事，但已經(jīng)逐漸得到國內(nèi)諸多科研結(jié)構(gòu)、公司和專家的重視。國家科技部于2007年8月13日下發(fā)文件(國科發(fā)財(cái)字[2007]479號)批準(zhǔn)黑龍江省、四川省為“技術(shù)創(chuàng)新方法試點(diǎn)省”。

實(shí)現(xiàn)自主創(chuàng)新，關(guān)鍵在人才。培養(yǎng)造就大批高素質(zhì)的具有蓬勃?jiǎng)?chuàng)新精神的人才是高等教育的一個(gè)重要目標(biāo)。因此，推廣“技術(shù)創(chuàng)新方法”高等院校責(zé)無旁貸。

1“TRIZ理論”的基本概念和基本觀點(diǎn)

“TRIZ理論”認(rèn)為：問題來源于矛盾。解決矛盾有兩個(gè)方法：一是在沖突參數(shù)間尋找折衷方案，二是消除矛盾?！癟RIZ理論”就是通過消除矛盾來解決問題。

“TRIZ理論”的基本概念有兩個(gè)：技術(shù)矛盾和物理矛盾。所謂技術(shù)矛盾，是指在一個(gè)技術(shù)系統(tǒng)中，當(dāng)一個(gè)參數(shù)被優(yōu)化時(shí)，另一個(gè)參數(shù)就變差，例如計(jì)算機(jī)中微處理器的工作頻率提高(處理速度加快)，但產(chǎn)生的熱量增多。物理矛盾則是指同一個(gè)參數(shù)的兩個(gè)互相對立的特性，如溫度的冷與熱，幾何尺寸的長與短，計(jì)算機(jī)指令格式是定長的與非定長的。

運(yùn)用“TRIZ理論”進(jìn)行發(fā)明/創(chuàng)新的關(guān)鍵就是找出矛盾，并分析矛盾是技術(shù)矛盾還是物理矛盾，然后利用不同的TRIZ工具，通過類比思考的方式，找到解決矛盾的思考方向，技術(shù)進(jìn)化的過程就是不斷解決存在矛盾的過程。

通常一個(gè)矛盾將被分解為若干層次的子矛盾，然后再自底向上地解決這些子矛盾。在對矛盾進(jìn)一步分析的基礎(chǔ)上，“TRIZ理論”提出了四個(gè)基本觀點(diǎn)：(1)較好的技術(shù)系統(tǒng)應(yīng)是在構(gòu)造和使用維護(hù)中消耗資源較少，而能完成同樣功能的系統(tǒng)，這是“TRIZ理論”追求的理想目標(biāo)。(2)在沖突的解決中采用縮小的方法，致力于在系統(tǒng)不變甚至簡化的基礎(chǔ)上消除系統(tǒng)缺點(diǎn)，完成改進(jìn)。(3)發(fā)明是系統(tǒng)矛盾的解決過程，要避免改進(jìn)系統(tǒng)的某一部分屬性時(shí)，使其他某些屬性惡化。(4)物理矛盾是“TRIZ理論”需要研究解決的關(guān)鍵矛盾。

對于第一個(gè)觀點(diǎn)，TRIZ的一個(gè)基本觀點(diǎn)是“系統(tǒng)是朝著不斷增加的理想狀態(tài)進(jìn)化的”。技術(shù)系統(tǒng)理想狀態(tài)包括3個(gè)方面內(nèi)容：①系統(tǒng)的主要目的是提供一定功能。傳統(tǒng)思想認(rèn)為，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的某種功能，必須建立相應(yīng)的裝置或設(shè)備；而TRIZ則認(rèn)為，為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的某種功能不必引入新的裝置和設(shè)備，而只需對實(shí)現(xiàn)該功能的方法和手段進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。②任何系統(tǒng)都是朝著理想化方向發(fā)展的，也就是向著更可靠、簡單有效的方向發(fā)展。系統(tǒng)的理想狀態(tài)一般是不存在的，但當(dāng)系統(tǒng)越接近理想狀態(tài)，結(jié)構(gòu)就越簡單、成本就越低、效率就越高。③理想化意味著系統(tǒng)或子系統(tǒng)中現(xiàn)有資源的最優(yōu)利用。

阿奇舒勒將他研究過的20萬個(gè)發(fā)明專利所涉及的發(fā)明問題分成五個(gè)級別：

第一級“具有明確的解”：利用已知方法繼續(xù)發(fā)展現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)(例如：增加壁的厚度以提高強(qiáng)度)。這個(gè)級別的專利占總數(shù)的32%。嚴(yán)格來說，這些專利不算發(fā)明。

第二級“對現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的少量改進(jìn)”：這種改進(jìn)往往是妥協(xié)的折衷解決方案(例如：可調(diào)整傾斜角度的方向盤)。這個(gè)級別的專利占總數(shù)的45%。

第三級“根本性的改進(jìn)”：運(yùn)用現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)的重大改進(jìn)(例如：用鼠標(biāo)來操作計(jì)算機(jī))。這個(gè)級別的專利占總數(shù)的18%。

第四級“全新的概念”：運(yùn)用新的技術(shù)產(chǎn)生新的一代技術(shù)系統(tǒng)(例如：內(nèi)燃機(jī)車取代蒸汽機(jī)車，集成電路取代分立的晶體管)。這個(gè)級別的專利占總數(shù)的4%。

第五級“基礎(chǔ)性的發(fā)現(xiàn)”：發(fā)現(xiàn)新的自然現(xiàn)象(例如：發(fā)現(xiàn)X光射線、激光、青霉素、DNA、超導(dǎo)材料等)。這個(gè)級別的專利占總數(shù)的1%。

阿奇舒勒認(rèn)為：目前77%的專利屬于一級和二級發(fā)明?！癟RIZ理論”作為可普遍運(yùn)用的原理和可定義的思維模式，幫助發(fā)明者將發(fā)明提高到三級和四級的水平。

2TRIZ工具體系

通過對大量發(fā)明專利的研究，阿奇舒勒提出了有關(guān)發(fā)明創(chuàng)造的基本規(guī)律。首先，不同領(lǐng)域的發(fā)明涉及的理論大部分是被反復(fù)利用的；其次，發(fā)明的原理和方法往往是融合了各個(gè)工程領(lǐng)域的內(nèi)容；第三，類似的矛盾與解決原理在不同工業(yè)及科學(xué)領(lǐng)域交替出現(xiàn)；第四，技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化模式在不同科學(xué)領(lǐng)域交替出現(xiàn)。

因此，阿奇舒勒設(shè)計(jì)了一套工具來解決發(fā)明問題，具有很強(qiáng)的可操作性。經(jīng)典的TRIZ工具是：40個(gè)發(fā)明創(chuàng)造所遵循的原理，表述系統(tǒng)性能的39個(gè)通用參數(shù)，物—場分析法及發(fā)明問題的76個(gè)標(biāo)準(zhǔn)解法，解決物理矛盾的4大分離原則和11種分離方法等。其中40個(gè)發(fā)明創(chuàng)造所遵循的原理，是解決技術(shù)矛盾的關(guān)鍵。

3教學(xué)中推廣“技術(shù)創(chuàng)新方法”

“計(jì)算機(jī)組成技術(shù)”課程為非計(jì)算機(jī)專業(yè)的本科學(xué)生開設(shè)的一門重要的技術(shù)基礎(chǔ)課，教學(xué)內(nèi)容主要包括計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生和發(fā)展、計(jì)算機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理、計(jì)算機(jī)中信息的表示與運(yùn)算、存儲(chǔ)器與存儲(chǔ)系統(tǒng)、輸入輸出技術(shù)與外部設(shè)備、匯編語言程序設(shè)計(jì)等。

“TRIZ理論”是一種建立在技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化規(guī)律基礎(chǔ)上的問題解決系統(tǒng)，同時(shí)也是一個(gè)創(chuàng)新能力培養(yǎng)體系理論。在以往的教學(xué)工作中，我們比較重視強(qiáng)調(diào)專業(yè)知識的傳授，而缺少科學(xué)思維、科學(xué)方法方面的引導(dǎo)和訓(xùn)練。因此，在“計(jì)算機(jī)組成技術(shù)”課程中推廣“TRIZ理論”，對提高學(xué)生的創(chuàng)新能力有著重要的意義。

3.1在課堂內(nèi)，通過對創(chuàng)新知識點(diǎn)的分析，推廣“TRIZ理論”

在教學(xué)過程中，每講完一個(gè)知識點(diǎn)，就考慮采用TRIZ理論中40個(gè)發(fā)明創(chuàng)造原則中的一個(gè)來啟發(fā)學(xué)生思考該知識點(diǎn)從問題提出到有效解決的過程，激發(fā)他們的聯(lián)想思維、想象思維、靈感思維，進(jìn)而提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

“計(jì)算機(jī)組成技術(shù)”中最重要的知識點(diǎn)就是“Von Neumann計(jì)算機(jī)”的基本結(jié)構(gòu)，這個(gè)結(jié)構(gòu)是由著名科學(xué)家Von Neumann在1946年6月發(fā)表了一篇旨在構(gòu)建一臺通用計(jì)算機(jī)的技術(shù)報(bào)告“關(guān)于電子計(jì)算裝置邏輯結(jié)構(gòu)初探”。這份報(bào)告提出了以存儲(chǔ)程序來進(jìn)行控制的電子計(jì)算裝置EDVAC的設(shè)計(jì)方案(如圖1所示)。

這個(gè)方案提出的“存儲(chǔ)程序”的思想是指：計(jì)算機(jī)的用途(程序/軟件)和硬件完全分離。硬件結(jié)構(gòu)采用固定性邏輯，其功能是固定不變的。通過編制不同功能的程序(軟件)來滿足不同用戶對計(jì)算機(jī)的應(yīng)用需求。依照這個(gè)設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的電子計(jì)算機(jī)后來被稱為“Von Neumann計(jì)算機(jī)”。時(shí)至今日，在市場上能看到的電子計(jì)算機(jī)幾乎都是“Von Neumann計(jì)算機(jī)”?！癡on Neumann計(jì)算機(jī)”的特點(diǎn)是：

(1) 計(jì)算機(jī)由存儲(chǔ)器、控制器、運(yùn)算器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等五個(gè)部件組成。

(2) 存儲(chǔ)器是由一組一維排列、線性編址的存儲(chǔ)單元組成，按照地址來訪問存儲(chǔ)單元。

(3) 指令由操作碼和地址碼兩部分組成，操作碼規(guī)定了指令的操作類型，地址碼指示操作數(shù)在存儲(chǔ)單元中的地址。

(4) 程序(指令)與數(shù)據(jù)是同等地不加區(qū)分地存儲(chǔ)在同一個(gè)存儲(chǔ)器中。

(5) 指令在存儲(chǔ)器中按順序存放。計(jì)算機(jī)逐條、順序地執(zhí)行指令。

(6) 指令和數(shù)據(jù)均以二進(jìn)制數(shù)來表示。

綜上所述，“Von Neumann計(jì)算機(jī)”最光輝的思想是“存儲(chǔ)程序”，最突出的特點(diǎn)是把計(jì)算機(jī)分成存儲(chǔ)器、控制器、運(yùn)算器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等五個(gè)部件。

圖1 Von Neumann計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)

從思想看，“存儲(chǔ)程序”的核心就是將計(jì)算機(jī)的功能分成兩部分：基礎(chǔ)功能和用戶特需功能?；A(chǔ)功能是獨(dú)立于具體應(yīng)用的，或者說是與用戶無關(guān)的，由機(jī)器(硬件)來提供；用戶特需功能是與用戶有關(guān)的，不同的用戶可能需要不同的功能，由程序(軟件)來完成。

從結(jié)構(gòu)看，早期的計(jì)算機(jī)中，實(shí)現(xiàn)不同功能的器件是混在一起的。到了“Von Neumann計(jì)算機(jī)”，計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)功能被進(jìn)一步分成：運(yùn)算功能、存儲(chǔ)功能、輸入功能和輸出功能。實(shí)現(xiàn)這些功能的器件被分別劃分成存儲(chǔ)器、控制器、運(yùn)算器、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備等五部分。

由此可見，“Von Neumann計(jì)算機(jī)”的提出正好應(yīng)驗(yàn)了TRIZ理論中40個(gè)發(fā)明創(chuàng)造原則中的第1個(gè)原則“分割原則”：(a)將物體分成獨(dú)立的部分；(b)使物體成為可拆卸的；(c)增加物體的分割程度。

“Von Neumann計(jì)算機(jī)”的設(shè)計(jì)方案對后來電子計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。時(shí)至今日，絕大多數(shù)計(jì)算機(jī)都屬于“Von Neumann計(jì)算機(jī)”，可見“Von Neumann計(jì)算機(jī)”的創(chuàng)新價(jià)值。

又如，在介紹完計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)體系后，可以利用第3個(gè)原則“局部性質(zhì)原則”(a．從物體或外部介質(zhì)(外部作用)的一致結(jié)構(gòu)過渡到不一致結(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。)來分析計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng)。

對于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)系統(tǒng)，它面臨的問題是訪問速度快的存儲(chǔ)器價(jià)格昂貴且容量較??；而容量大的存儲(chǔ)器價(jià)格雖然便宜，但是訪問速度太慢。它的設(shè)計(jì)目標(biāo)是存儲(chǔ)系統(tǒng)應(yīng)該能夠以很高的速度向微處理器提供數(shù)據(jù)，而且存儲(chǔ)系統(tǒng)的總體價(jià)格適中。為此，人們提出了高速緩存—主存儲(chǔ)器的層次結(jié)構(gòu)：在靠近微處理器的地方設(shè)置速度快的存儲(chǔ)器(即高速緩存)，盡管它的容量較小。在高速緩存的外圍設(shè)置容量大的存儲(chǔ)器(例即主存儲(chǔ)器)，盡管它的訪問速度慢。高速緩存的價(jià)格比主存儲(chǔ)器要便宜得多。

進(jìn)一步利用這個(gè)原則，在微處理器內(nèi)部還可以設(shè)置速度更快的存儲(chǔ)單元——寄存器組，盡管它的容量要比高速緩存小兩個(gè)數(shù)量級，而且價(jià)格是最貴的，但是它的速度比高速緩存快一個(gè)數(shù)量級。在主存儲(chǔ)器之外，還設(shè)置了容量更大的輔助存儲(chǔ)器。輔助存儲(chǔ)器的速度是最慢的，但是價(jià)格也是最便宜的。

這樣，把存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)成：寄存器—高速緩存—主存儲(chǔ)器—輔助存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)，就實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

再比如，計(jì)算機(jī)上不同的插頭要插入不同的插座。為了避免發(fā)生錯(cuò)誤。同一對插頭和插座用同樣的顏色，不同的插頭—插座對用不同的顏色。這就很好地體現(xiàn)了第32個(gè)原則“改變顏色原則”(a．改變物體或外部介質(zhì)的顏色；b．改變物體或外部介質(zhì)的透明度；c．為了觀察難以看到的物體或過程，利用染色添加劑；d．如果已采用了這種添加劑，則采用熒光粉。)

3.2在課堂外，通過創(chuàng)新實(shí)踐培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力

為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，哈爾濱工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院在計(jì)算機(jī)硬件教研室和計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)中心的基礎(chǔ)上于2008年2月成立了計(jì)算機(jī)硬件創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室，構(gòu)建第二課堂，鼓勵(lì)學(xué)生參與創(chuàng)新活動(dòng)。

計(jì)算機(jī)硬件創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室有專門的實(shí)驗(yàn)場地和設(shè)備，眾多計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)設(shè)備廠商也贊助了它們最新的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。計(jì)算機(jī)硬件教研室和計(jì)算機(jī)硬件實(shí)驗(yàn)中心選派經(jīng)驗(yàn)豐富的教師成立了指導(dǎo)教師隊(duì)伍。積極支持學(xué)生參加各級挑戰(zhàn)杯的競賽活動(dòng)。在創(chuàng)新實(shí)踐中培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力。

4結(jié)束語

創(chuàng)新理論和創(chuàng)新實(shí)踐都證明，創(chuàng)新能力是人的一種潛能，是人人都具有的一種能力，而且這種能力可以經(jīng)過一定的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練得到激發(fā)和提升。事實(shí)證明創(chuàng)新和其他活動(dòng)一樣，也具有自身一套內(nèi)在的規(guī)律和方法。熟知和掌握這些創(chuàng)新規(guī)律與原理知識對于提升我們的創(chuàng)新水平和效率都具有重要的價(jià)值。

因此，在強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新人才培養(yǎng)、注重提高創(chuàng)新能力的今天，在教育體系和人才培養(yǎng)體系中推廣TRIZ理論，有著極其重要的意義。

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