摘 要：將TRIZ引入大學(xué)物理創(chuàng)新性實驗環(huán)節(jié)，選擇專利文獻中相關(guān)物理效應(yīng)的典型應(yīng)用為實驗項目，在教學(xué)內(nèi)容上圍繞物理效應(yīng)的應(yīng)用展開；在教學(xué)組織上構(gòu)建基于開源技術(shù)創(chuàng)新社區(qū)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)實踐共同體；在教學(xué)方法上提倡共同體成員協(xié)商、對話解決問題；在具體教學(xué)過程的設(shè)計上，引導(dǎo)學(xué)生應(yīng)用TRIZ理論、方法對相關(guān)專利進行再發(fā)明來訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力。

關(guān)鍵詞：TRIZ；物理創(chuàng)新性實驗；教學(xué)模式

在國家大力提倡“大眾創(chuàng)業(yè)， 萬眾創(chuàng)新”的戰(zhàn)略背景下，許多普通二本院校都向應(yīng)用型本科方向轉(zhuǎn)型，如何培養(yǎng)具有創(chuàng)新能力的應(yīng)用型本科人才是各高校普遍關(guān)心的問題。物理學(xué)科的基礎(chǔ)性、應(yīng)用性、實踐性決定了大學(xué)物理實驗在理工科專業(yè)開設(shè)的必要性和重要性。將TRIZ理論、方法引入大學(xué)物理創(chuàng)新性實驗中，探索一種有效的教學(xué)模式，培養(yǎng)具有創(chuàng)新精神和能力的應(yīng)用型人才，具有普遍的價值。

1 目前大學(xué)物理創(chuàng)新性實驗教學(xué)存在的問題

主要存在的問題是：缺乏創(chuàng)新理論指導(dǎo)，實驗項目內(nèi)容與生產(chǎn)實踐結(jié)合不緊密，實用性內(nèi)容缺乏[1]，教學(xué)方法陳舊，應(yīng)用型本科的應(yīng)用性不強等。

2 TRIZ簡介

TRIZ譯為漢語是“解決有關(guān)發(fā)明問題的理論”，它是前蘇聯(lián)科學(xué)家阿奇舒勒在1946年創(chuàng)立的。TRIZ理論成功地揭示了創(chuàng)造發(fā)明的內(nèi)在規(guī)律和原理，致力于理清系統(tǒng)中的矛盾?；诩夹g(shù)的發(fā)展演化規(guī)律來研究整個設(shè)計與開發(fā)過程，并且完全解決矛盾，獲得最終的理想解，使得發(fā)明創(chuàng)造不再是隨機的行為。

TRIZ理論體系：TRIZ的理論基礎(chǔ)是自然科學(xué)、系統(tǒng)科學(xué)和思維科學(xué)；TRIZ的哲學(xué)范疇是辯證法和認(rèn)識論；TRIZ來源于對海量專利的分析和總結(jié)；TRIZ的理論核心是技術(shù)系統(tǒng)進化法則；TRIZ的基本概念包括進化、理想度、系統(tǒng)、功能、矛盾和資源；TRIZ的創(chuàng)新問題分析工具包括根本原因分析、功能分析、物場分析、資源分析和創(chuàng)新思維方法；TRIZ的創(chuàng)新問題求解工具包括發(fā)明原理、分離方法、科學(xué)效應(yīng)庫、標(biāo)準(zhǔn)解系統(tǒng)和創(chuàng)新思維方法；TRIZ的創(chuàng)新問題通用求解算法是發(fā)明問題求解算法（ARIZ）[2]。

各國的工程實踐證明，應(yīng)用TRIZ理論，對于技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)品研發(fā)具有極大的推動作用；世界各知名企業(yè)紛紛采用，獲得了較高的經(jīng)濟效益和社會效益。世界上許多高校積極將此理論引入課程教學(xué)中。將TRIZ理論引入創(chuàng)新性物理實驗環(huán)節(jié)，對于系統(tǒng)培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神、創(chuàng)新思維和創(chuàng)新能力極為必要。

3 TRIZ大學(xué)物理創(chuàng)新性實驗教學(xué)模式

郭獻章，張淑梅，房瑞東等提出了“基于TRIZ-CDIO模式的大學(xué)物理實驗教學(xué)模式”，（CDIO為工程教育模式。）文中重點介紹了TRIZ-CDIO物理實驗教學(xué)模式的應(yīng)用步驟，包括在教材、教案、教學(xué)過程中如何應(yīng)用TRIZ-CDIO的理論與精神；在項目的研發(fā)與實施中實施TRIZ-CDIO的理論；用TRIZ-CDIO方法對教與學(xué)進行能力評價與反饋[3]。但缺乏針對具體的實驗環(huán)節(jié)提出詳細(xì)的、可操作的方法，且未就物理學(xué)科的理論與實際應(yīng)用之間的聯(lián)系做深入的分析。

本文在此研究的基礎(chǔ)上，依據(jù)TRIZ理論，將物理效應(yīng)作為理論與實際聯(lián)系的橋梁，針對創(chuàng)新性物理實驗環(huán)節(jié)，提出了基于TRIZ的大學(xué)物理創(chuàng)新性實驗教學(xué)模式。具體論述如下：

物理效應(yīng)在實際生產(chǎn)生活中被廣泛應(yīng)用，正如阿奇舒勒在《創(chuàng)造是精確的科學(xué)》一書中所述：不難發(fā)現(xiàn)，簡單的綜合方法（如分割、反轉(zhuǎn)、組合等），在宏觀水平上占優(yōu)勢。在微觀水平上占優(yōu)勢的那些方法，差不多總是用到物理效應(yīng)和現(xiàn)象。在微觀水平上，方法都是物理學(xué)和化學(xué)方面的。因此，為發(fā)明家們提供關(guān)于物理學(xué)方法的系統(tǒng)資料就顯得尤為重要，這可以大大提高他們將物理效應(yīng)和現(xiàn)象用于發(fā)明的 可能性。由此可見，將TRIZ理論中科學(xué)效應(yīng)庫中的物理效應(yīng)作為創(chuàng)新性物理實驗中，物理學(xué)科理論與實踐聯(lián)系的橋梁最為恰當(dāng)。

在教學(xué)內(nèi)容上，在大學(xué)物理創(chuàng)新性實驗教學(xué)中，傳統(tǒng)的教學(xué)模式是教學(xué)內(nèi)容更新緩慢，表現(xiàn)在具體的軟硬件建設(shè)上，設(shè)備陳舊，實驗內(nèi)容更新慢[4]?；赥RIZ的大學(xué)物理創(chuàng)新性實驗教學(xué)模式，以TRIZ理論為指導(dǎo)，圍繞TRIZ物理效應(yīng)知識庫，緊密聯(lián)系實際，緊跟當(dāng)前研究前沿，著重研究和挖掘物理效應(yīng)在實際中的應(yīng)用，這樣就能解決教學(xué)內(nèi)容更新慢的不足，而關(guān)于實驗設(shè)備問題，本教學(xué)模式突破實驗室限制，通過建立網(wǎng)絡(luò)化大學(xué)物理實驗信息平臺[5]，根據(jù)具體項目的不同，首先選擇仿真實驗的方式進行實驗，在此基礎(chǔ)上選擇與相應(yīng)的生產(chǎn)企業(yè)合作的方式來解決實驗設(shè)備陳舊的問題。

在實驗項目的選擇上，要緊密聯(lián)系生產(chǎn)實踐，以創(chuàng)新技術(shù)開發(fā)和新產(chǎn)品研發(fā)為目標(biāo)，選擇基于物理效應(yīng)應(yīng)用的技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)品研發(fā)。

在實驗教學(xué)組織上，通過網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建開源技術(shù)創(chuàng)新社區(qū)，組建基于物理效應(yīng)應(yīng)用的技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)品研發(fā)小組，努力形成包括跨學(xué)科、跨專業(yè)的教師團隊、學(xué)生、生產(chǎn)企業(yè)工程技術(shù)人員等在內(nèi)的學(xué)習(xí)實踐共同體，極大地突破了創(chuàng)新性實驗的空間和時間限制。學(xué)習(xí)者實踐共同體是情境學(xué)習(xí)在人類學(xué)研究領(lǐng)域中的另一個核心要素，它指的是學(xué)習(xí)的生態(tài)性環(huán)境。有研究表明，學(xué)習(xí)者通過與學(xué)習(xí)環(huán)境的交互作用中，獲得知識的途徑有兩種形式：一是學(xué)習(xí)者與信息內(nèi)容交互，它導(dǎo)致了個體知識的建構(gòu)活動；二是學(xué)習(xí)者與其他人（教師、輔導(dǎo)者、同伴等）之間的社會性互動，它導(dǎo)致了社會性知識建構(gòu)[6]。而學(xué)習(xí)者實踐共同體就是促進社會性知識建構(gòu)的主要途徑。

在實驗教學(xué)方法上，改革以教師為主的教學(xué)方法，形成以教師、學(xué)生、工程技術(shù)人員等學(xué)習(xí)實踐共同體成員共同協(xié)商、對話分析、解決問題的方法。

在具體教學(xué)過程的設(shè)計上，主要是通過選擇專利文獻中相關(guān)物理效應(yīng)的典型應(yīng)用項目，引導(dǎo)學(xué)生運用TRIZ理論和方法，按照應(yīng)用科學(xué)效應(yīng)知識庫解決問題的步驟，對專利項目進行再發(fā)明來對學(xué)生進行系統(tǒng)的TRIZ創(chuàng)新思維、創(chuàng)新方法、創(chuàng)造能力的訓(xùn)練。在此基礎(chǔ)上，通過選擇合適的實驗項目，緊緊圍繞物理效應(yīng)知識的應(yīng)用，開展真實的創(chuàng)新性實驗項目研究。活動與任務(wù)的真實性，為理解與經(jīng)驗的互動創(chuàng)造機會[7]。研究表明，在真實的活動與任務(wù)中學(xué)習(xí)的效果遠(yuǎn)比傳統(tǒng)方式好。學(xué)生的學(xué)習(xí)方式由傳統(tǒng)方式轉(zhuǎn)向基于問題的建構(gòu)性學(xué)習(xí)。如此一來，使得學(xué)生對TRIZ理論和方法的應(yīng)用有一個系統(tǒng)的、全面的了解和掌握，為學(xué)生今后從事技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)品開發(fā)打下堅實的基礎(chǔ)。例如，以設(shè)計開發(fā)新一代“節(jié)能環(huán)保型”注塑機項目為例，首先確定對問題進行分析，通過對已有的專利中注塑機存在的問題分析，得到諸如定量泵不可調(diào)節(jié)輸出功率，導(dǎo)致各種閥的磨損、油溫過高、電機噪聲過大等問題；其次確定所解決的問題需要實現(xiàn)的功能，如在規(guī)定的時間內(nèi)將一定量的塑料加熱、塑化后，以一定的壓力和速度將熔融塑料注入到模具型腔中；第三需求功能定義：使得熔融流體在高壓空氣的作用下產(chǎn)生運動等；第四根據(jù)功能查找科學(xué)效應(yīng)庫，得到TRIZ理論所推薦的效應(yīng)；第五篩選所推薦的效應(yīng)知識庫中的案例，優(yōu)選適合解決本問題的效應(yīng)和案例。通過篩選，選出能解決功能的物理效應(yīng)有帕斯卡效應(yīng)、歐姆效應(yīng)、螺線管磁場效應(yīng)、磁場力效應(yīng)；第六把效應(yīng)應(yīng)用于功能實現(xiàn)，并通過數(shù)字化仿真的方式驗證方案的可行性，如果問題沒有得到解決或功能無法實現(xiàn)，則重新分析問題或查找合適的效應(yīng)，直到問題解決。本例中用電器柜控制線圈中電壓或電流的大小和方向，在線圈內(nèi)部產(chǎn)生不同的磁場，使得電磁換向閥在規(guī)定的時間內(nèi)接通和斷開，進而控制高壓流體按照注塑工藝的要求，快速推動熔融塑料填充到模具型腔中完成注塑動作。第七形成最終的解決方案。基于TRIZ理論科學(xué)效應(yīng)知識庫中物理效應(yīng)的運用，將注射機構(gòu)原來的液壓驅(qū)動注射系統(tǒng)改為高壓流體直接推動熔融流體的注射系統(tǒng)，成功地運用了科學(xué)知識庫中的物理效應(yīng)進行了產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計。通過數(shù)字化仿真試驗驗證，新產(chǎn)品的性能和可靠性從根本上得到了提高。endprint

以上案例中，雖然此項目是屬于機電設(shè)備，對于物理學(xué)專業(yè)的學(xué)生具有一定的難度，但是在大學(xué)物理實驗教學(xué)中，引進CDIO工程教育模式，消化并吸收此模式的合理內(nèi)核，可使得實驗教育具體化、可操作、可測量，從而可指導(dǎo)師生的教與學(xué)的實踐活動。CDIO體現(xiàn)了系統(tǒng)性、科學(xué)性和先進性的統(tǒng)一，代表了當(dāng)代工程教育的發(fā)展趨勢，也是實驗教學(xué)改革的成功方向之一。所以，對于物理學(xué)專業(yè)的學(xué)生來講，也是一個很好的學(xué)習(xí)工程知識的過程。關(guān)于跨專業(yè)學(xué)習(xí)難度的問題，可以由跨學(xué)科跨專業(yè)的教師團隊加以解決。通過教師組織學(xué)生在真實的活動和任務(wù)中的積極參與，對這種專利項目利用TRIZ理論和方法進行再發(fā)明的方式，學(xué)生親身體驗了運用TRIZ理論和方法解決真實而復(fù)雜的問題的過程，對物理效應(yīng)在解決工程實踐中的應(yīng)用有了更加深刻的體會。這將大大有助于學(xué)生對知識的理解和掌握；同時對于學(xué)生的創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力也是一個系統(tǒng)而全面的訓(xùn)練。

在教學(xué)評價方面，主要以發(fā)表的論文、實際申請的專利數(shù)量和質(zhì)量以及成果的轉(zhuǎn)化率為衡量標(biāo)準(zhǔn)。

4 總結(jié)

基于TRIZ的大學(xué)物理創(chuàng)新性實驗教學(xué)模式，針對創(chuàng)新性物理實驗環(huán)節(jié)，將TRIZ理論引入其中，以物理效應(yīng)作為理論與實踐聯(lián)系的橋梁，在教學(xué)內(nèi)容上圍繞物理效應(yīng)在實踐中的應(yīng)用展開；在實驗項目選擇上，選擇基于物理效應(yīng)的專利技術(shù)進行再發(fā)明為實驗項目；在教學(xué)組織上，突破空間、時間限制，通過網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建開源技術(shù)創(chuàng)新社區(qū)，組建基于物理效應(yīng)應(yīng)用的技術(shù)開發(fā)和產(chǎn)品研發(fā)小組，努力形成包括跨學(xué)科、跨專業(yè)的教師團隊、學(xué)生、生產(chǎn)企業(yè)工程技術(shù)人員等在內(nèi)的學(xué)習(xí)實踐共同體；在教學(xué)方法上，提出了學(xué)習(xí)實踐共同體成員通過共同協(xié)商、對話分析解決問題的方法；在具體教學(xué)過程的設(shè)計上，先通過對專利項目進行再發(fā)明來對學(xué)生進行系統(tǒng)的TRIZ創(chuàng)新思維、創(chuàng)新方法、創(chuàng)造能力的訓(xùn)練。在此基礎(chǔ)上，通過選擇合適的實驗項目，緊緊圍繞物理效應(yīng)知識的應(yīng)用，開展真實的創(chuàng)新性實驗項目研究。

參考文獻

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作者簡介

黃華（1964-），男，四川簡陽人，物理與電子信息工程學(xué)院副研究員，研究方向為物理實驗教學(xué)。endprint