張 煒，彭晉民，陳丙三，張 寧

(福建工程學院機械與汽車工程學院，福建福州，350118)

一、前言

在新工科教育的大背景下，機械工程學科教育重點強調(diào)培養(yǎng)具有跨界整合能力、創(chuàng)新綜合能力、應用實踐能力及全球視野的新型多層次復合型工科人才。同時，機械制造是機械工程學科的重要組成部分，“中國制造2025”理念的提出標志著制造業(yè)這一國民經(jīng)濟的主體需要注入更為強大的力量。因此，自動化制造系統(tǒng)這門機械制造方向的專業(yè)課程對培養(yǎng)學生綜合素質(zhì)的重要性日益突顯。

自動化制造系統(tǒng)作為機械領域的一門重要的綜合性專業(yè)課程，其知識體系與先進制造技術緊密結合。該課程概念性知識較多、知識點抽象，與實際工程、產(chǎn)品聯(lián)系較為緊密。該課程常規(guī)的授課模式存在著學生接受程度較低，難以將理論與實際聯(lián)系起來，創(chuàng)新、開放性思維較為局限，學生所學知識點難以融會貫通等問題。這種教學模式不利于專業(yè)知識內(nèi)容與實際系統(tǒng)、產(chǎn)品開發(fā)設計的結合。

針對上述問題，學校應采用有效的手段對教師的授課方式進行創(chuàng)新改革，將抽象知識具體化，以更好地與實際相結合，進一步提升自動化制造系統(tǒng)的教學質(zhì)量，提高學生培養(yǎng)水平，進而切實推進新型多層次復合型工科人才的培養(yǎng)建設。

近年來，TRIZ(發(fā)明問題解決理論)逐漸進入廣大教師、學者的視野。TRIZ理論是形成創(chuàng)造性思維和處理發(fā)明問題的分析方法，其亦可視為創(chuàng)新性人才高效、精準培養(yǎng)的理論基礎。目前，TRIZ理論已經(jīng)在機械領域本科教學中逐漸得到推廣和應用。[1]

楊子江等[2]將TRIZ理論引入機械基礎實驗教學環(huán)節(jié)中，通過TRIZ理論構建創(chuàng)新性實驗課程評價體系，并運用TRIZ理論鼓勵學生在實驗中進行自主探索、創(chuàng)新，將TRIZ理論引入實驗設備日常管理中，從而進一步完善機械基礎實驗課程創(chuàng)新改革優(yōu)化思路。鄧援超等[3]將TRIZ理論引入機械創(chuàng)新設計課程教學中，通過將相應技術系統(tǒng)進化法則、最終理想解求解法則等與實際課程教學案例結合起來的方式，進一步解決該課程傳統(tǒng)教學中存在的學生死記硬背概念、思維不開放的問題。王曉娟等[4]將TRIZ理論引入機械制圖教學法的探索中，針對機械制造教學中較為關鍵的空間問題，通過TRIZ理論，采用九屏幕法進行解決，從具體屏幕系統(tǒng)出發(fā)，找到其舊系統(tǒng)及未來推演系統(tǒng)，進而明晰各個子系統(tǒng)間的關聯(lián)性，從而對原有系統(tǒng)進行全面分析改進，進一步培養(yǎng)學生的機械制圖空間思維能力，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力。Jiang等[5]將TRIZ理論引入CDIO機械理論教學中，探索出了基于TRIZ理論的機械工程教育優(yōu)化方法，采用進化方法數(shù)學描述工具，同時利用矛盾—沖突分析法等，通過VC++代碼程序?qū)逃齼?yōu)化方法進行數(shù)學建模求解，從機械原理知識點優(yōu)化、教學過程優(yōu)化、學生通過TRIZ工具解決項目中的問題三個方面對CDIO機械理論教學中的問題實例進行研究。Liu[6]將TRIZ理論應用在實際機械產(chǎn)品零件的設計制造過程中，通過矛盾求解矩陣、分離整合原理、物—場分析技術等結合具體的機械工具扳手研發(fā)實例，創(chuàng)新性地實現(xiàn)相關機械工具的改良，為機械領域相關課程的教學提供有效的產(chǎn)品創(chuàng)新設計及推廣方法。

綜上所述，目前，TRIZ理論的應用主要集中在機械領域某些課程中，如機械創(chuàng)新設計課程、工程制圖課程。自動化制造系統(tǒng)課程相比于其他機械類課程概念性知識較多，知識點抽象，與實際工程、產(chǎn)品聯(lián)系較為緊密，更偏向于實際應用。當前，TRIZ理論與自動化制造系統(tǒng)課程教學結合的研究較少。TRIZ理論與自動化制造系統(tǒng)課程的教學結合，有望進一步實現(xiàn)課程中復雜、抽象概念的具體化，提高學生對知識的接受程度和創(chuàng)新性思維水平，增強學生的實際應用能力，從而進一步優(yōu)化融合創(chuàng)新思維理論的自動化制造系統(tǒng)課程教學法。

本研究首先明晰TRIZ理論的基本原理、方法，然后進一步剖析自動化制造系統(tǒng)課程的特點，最后結合TRIZ理論中的具體內(nèi)容，將TRIZ理論引入自動化制造系統(tǒng)課程的實際教學中，從而初步形成一套啟發(fā)學生主動思維、融概念知識與實際應用于一體的教學模式，為該課程教學模式的改革及TRIZ理論的應用推廣打下良好基礎。

二、TRIZ理論及關鍵方法介紹

TRIZ理論的中文解釋為“發(fā)明問題解決理論”，其最早由蘇聯(lián)發(fā)明學家阿奇舒勒創(chuàng)立。該方法主要從具體專利實例中汲取相關創(chuàng)新知識，并將對應知識總結、歸納為系統(tǒng)解決、處理技術或發(fā)明的手段。[7]目前，TRIZ理論已經(jīng)逐漸成為現(xiàn)代系統(tǒng)中處理、解決問題以及進行創(chuàng)新活動時廣泛采用的技術方法。

本課程教學法改革中具體采用TRIZ理論中的以下三個重要技術：

TRIZ理論通過大量專利的技術分析，從中提取最為關鍵的40個發(fā)明原理，并將對應發(fā)明原理整合成為矩陣[8]，從而為實際處理問題提供強有力的手段。在解決實際問題的過程中，操作者可將單獨或部分發(fā)明原理進行分解、整合使用，將實際問題通過效應相同的原理進行等效替代，從而將40個發(fā)明原理廣泛地應用在處理各類型實際問題的過程中。

TRIZ理論中的矛盾—沖突分析方法主要針對事物、系統(tǒng)的多面性提出[9]，將事物沖突分為管理沖突、技術沖突、物理沖突三個層面，對相應的問題進行定性、定量的性能方面的描述、求解。針對技術沖突，可結合39個標準工程參數(shù)，進一步分析求解其具體矛盾，從而獲取相應解。針對物理沖突，該理論首先從系統(tǒng)內(nèi)子系統(tǒng)有害功能降低導致有用功能降低以及子系統(tǒng)中有用功能增強導致有害功能增強兩個角度對其進行描述，進而區(qū)分物理沖突，從而進行綜合考慮求解。

物—場分析模型[10]是TRIZ理論中的關鍵系統(tǒng)性分析工具，物—場分析模型可以進一步明晰系統(tǒng)內(nèi)各個元素之間的相互聯(lián)系、作用，具體將系統(tǒng)所有功能分為三個基本元素，即兩個物質(zhì)、一個作用或效應、兩物質(zhì)間的聯(lián)系，而任意存在功能必定由這三個基本元素構成，因此，可以將這三個基本元素有機結合成為一個功能，即構造對應標準場—物分析模型。

三、自動化制造系統(tǒng)課程特點

自動化制造系統(tǒng)課程主要具有如下特點：

第一，知識抽象、零散，內(nèi)容廣。自動化制造系統(tǒng)課程包含較多概念性知識，并且對應知識點較為零散、抽象，學生難以理解。該課程包括自動化制造系統(tǒng)的定義、發(fā)展及評價方式，自動化制造系統(tǒng)人機一體化設計的概念、過程及人機工程評價，自動化制造系統(tǒng)中的各組成部分，即自動化加工設備系統(tǒng)、工件儲運系統(tǒng)、刀具準備及儲運系統(tǒng)等各分系統(tǒng)的特點、選型等。

第二，應用性強。課程具有應用性強的特點，學生通常缺乏主動、創(chuàng)造性地開展相應課程中案例分析及實際應用的能力。例如，學生一般缺乏針對實際生產(chǎn)線的生產(chǎn)批量、產(chǎn)品類型進行自動化制造系統(tǒng)類型選取的能力，針對企業(yè)所提出的工件輸送效率和需求進行工件儲運系統(tǒng)傳輸裝置形式、技術參數(shù)、布局形式等綜合選取的能力也較弱。

第三，與實際結合緊密。課程理論知識具有與實際產(chǎn)品、設備以及系統(tǒng)聯(lián)系緊密的特點，而學生通常缺乏相關知識儲備背景，難以具備對對應事物的感性認識，進而較難理解具體的產(chǎn)品、設備以及系統(tǒng)的類型、特點。例如，涉及懸掛式輸送機這一物料存儲運輸系統(tǒng)中使用的輸送設備，多數(shù)學生無對該設備產(chǎn)品的感性認識。再如，涉及機械手、機器人設備在自動裝配系統(tǒng)中發(fā)揮相應功用，因?qū)W生較少實際接觸到對應機械手、機器人設備，所以難以具備完備認識。

四、TRIZ理論與自動化制造系統(tǒng)課程結合的教學模式

針對上述自動化制造系統(tǒng)課程的特點，教育者可將TRIZ理論引入自動化制造系統(tǒng)的實際授課過程中，從而形成基于TRIZ理論的自動化制造系統(tǒng)創(chuàng)新型課程教學模式，具體結合方式如下：

(一)40個發(fā)明原理與自動化制造系統(tǒng)課程教學結合

教育者可通過TRIZ理論中的40個發(fā)明原理與該課程概念性知識點相結合的方式，進一步啟發(fā)學生的發(fā)散思維，從一個知識點發(fā)散出其他知識點，并讓各個知識點之間關聯(lián)起來，進而較好地解決由于該課程知識點離散、抽象而導致的學生接受程度較低的問題。

例如，教育者可采用40個發(fā)明理論中分割和合并/組合的思想，分割自動化制造系統(tǒng)的組成概念，具體劃分為工件儲運系統(tǒng)、刀具準備及儲運系統(tǒng)等，同時，可將自動化制造系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)知識點進行合并/組合，形成對應的自動化制造系統(tǒng)的總體概念。

教育者可采用40個發(fā)明理論中的通用/普遍性與反向組合的思想。自動化制造系統(tǒng)中的柔性制造系統(tǒng)、柔性制造線以及柔性制造單元的組成具有通用/普遍性，可進行連鎖分析記憶。教育者反觀柔性制造系統(tǒng)的生產(chǎn)模式和生產(chǎn)批量的特點，可推演出剛性制造系統(tǒng)的生產(chǎn)模式和生產(chǎn)批量的特點。

(二)矛盾—沖突分析與自動化制造系統(tǒng)課程教學結合

教育者可通過矛盾—沖突分析的方式，進一步加強課程理論知識與實際機械產(chǎn)品系統(tǒng)間的聯(lián)系，即教育者通過課程內(nèi)理論知識內(nèi)在的矛盾—沖突，結合39個標準工程參數(shù)，引發(fā)學生對實際產(chǎn)品、設備及系統(tǒng)的思考。

例如，在自動化裝配系統(tǒng)中機器人的實際作業(yè)過程中，理論上會追求其自由度盡可能高，運動速度盡可能快，從而獲取較高的裝配靈活性和裝配效率。而在實際生產(chǎn)中，若一味地提高機器人的自由度和運動速度，將造成控制難度過大、運動平穩(wěn)性差的問題，則兩者之間構成相應的矛盾—沖突，具體涉及39個標準工程參數(shù)中的適用性或多用性以及速度，學生需要權衡選取合理適中的機器人自由度和運動速度。

在自動化制造系統(tǒng)的人機一體化設計中，理論上需要提高其系統(tǒng)的自動化程度，從而進一步提高其實際生產(chǎn)效率，但通過結合39個標準工程參數(shù)中的自動化程度、生產(chǎn)率及可制造性發(fā)現(xiàn)，在實際人機一體化自動化制造系統(tǒng)設計建立過程中，其自動化程度、生產(chǎn)率相互影響，而這兩者與可制造性構成相應的矛盾—沖突，即自動化程度、生產(chǎn)率越高，相應的可制造性整體越差。

(三)物—場分析模型與自動化制造系統(tǒng)課程教學結合

教育者將TRIZ理論中的物—場分析模型應用到實際授課過程中，可進一步分析自動化各個分系統(tǒng)等知識內(nèi)容的兩個元素物質(zhì)S1、S2和場F，進而明晰其總體功能，這樣可以更好地體現(xiàn)相關內(nèi)容的應用性，引發(fā)學生針對對應知識的應用及案例的思考。

例如，針對自動化制造系統(tǒng)中的系統(tǒng)經(jīng)濟性分析環(huán)節(jié)，整體經(jīng)濟性分析功能構成的物質(zhì)S1和S2分別為加工設備和經(jīng)濟性，而缺失實際作用場F，從而構成不完整模型。教育者可通過上述啟發(fā)式教學，引導學生采用物—場分析模型中補全缺失元素的方式，使模型完整，從而啟迪學生對應用和實例的思考。具體可采用補足場F生成率的方式，即通過考慮加工設備中的生產(chǎn)率效應，進而綜合考慮系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

針對自動化制造系統(tǒng)中的輥子輸送帶輸送零散物料這一實例，實現(xiàn)其輥子輸送功能的兩個物質(zhì)S1和S2分別為輥子輸送帶和零散物料，對應場F為機械場，其模型的完整性是合理的，但其中對應S1和S2之間的交互效應實際是有害的，輥子輸送帶無法完成對應零散物料的傳輸。因此，教育者可采用針對有害效應完整模型的解法，引入第三種物質(zhì)S3——托盤，阻止有害效應，即采用將零散物料放置于托盤上的方式，讓輥子輸送機在機械場驅(qū)動作用下完成零散物料的輸送過程。

五、總結

本文通過分析機械領域?qū)I(yè)課程——自動化制造系統(tǒng)的特點，結合TRIZ理論的關鍵方法，將TRIZ理論創(chuàng)新性地引入該課程的教學環(huán)節(jié)當中。研究具體采用40個發(fā)明原理、矛盾—沖突分析方式及物—場分析模型等TRIZ理論中的重要技術方法作為手段工具，進一步挖掘課程教學過程中實例的生動性、學生思維的啟發(fā)性、抽象知識點的具體性，從而為推進該課程的教學方式改革提供經(jīng)驗。