成思源， 陳曉菁， 楊雪榮， 趙榮麗， 唐文艷

（廣東工業(yè)大學機電工程學院，廣州510006）

0 引 言

創(chuàng)新教育是大學生科學文化素質(zhì)教育的重點，也是“新工科”建設(shè)對人才培養(yǎng)提出的重要要求［1］。2015年國務院辦公廳頒發(fā)了《關(guān)于深化高等學校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革的實施意見》，明確要求高校要樹立先進的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育理念，加強創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育，增強學生創(chuàng)新精神和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力［2］。作為培養(yǎng)人才的基地，各個高校積極響應國家的政策，開辦各類創(chuàng)新教育課程，為國家培養(yǎng)出具有創(chuàng)新意識、創(chuàng)新思維、創(chuàng)新精神和創(chuàng)新能力的人才。由此，許多高校老師對創(chuàng)新教育進行研究，提出了各種教學模式，如唐力等［3］提出獨立設(shè)課，開展多層次實驗教學，并構(gòu)建個性化培養(yǎng)平臺，給學生自主學習的空間；沈國鳳［4］提出“構(gòu)建式”創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育模式，不僅讓學生學習創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)知識，還讓學生運用到實踐當中去。此外，專利文獻涵蓋了全球90%以上的最新技術(shù)情報，具有新穎、實用的特征，將專利運用到創(chuàng)新教育當中能訓練學生的創(chuàng)新思維，激發(fā)創(chuàng)新想象力［5］。趙海瑩［5］對大學生專利教育進行研究，強調(diào)專利教育的價值；鄭仁華等［6］提出大學生應懂得利用專利工具保護自己的創(chuàng)新成果。專利在創(chuàng)新教育中發(fā)揮重要作用，能有效分析專利文獻中的創(chuàng)新技術(shù)，并對專利產(chǎn)品中的技術(shù)缺陷進行改進，可提高學生的創(chuàng)新能力。

發(fā)明問題解決理論（TRIZ），是前蘇聯(lián)阿奇舒勒（Altshuller）及其同事在分析了大量專利文獻總結(jié)出的解決發(fā)明問題的理論，它揭示了創(chuàng)造發(fā)明的內(nèi)在規(guī)律和原理，被廣泛地應用于創(chuàng)新［7-9］。本文在TRIZ理論指導下，對基于專利分析的創(chuàng)新設(shè)計實踐教學進行了研究與探索，并給出了應用的案例。

1 專利分析與創(chuàng)新設(shè)計流程

1.1 專利分析方法——TRIZ

TRIZ理論主要是幫助設(shè)計者解決設(shè)計中如何“做”的問題，使設(shè)計者系統(tǒng)有效地分析問題解決問題［10］。其包含有功能分析、物質(zhì)-場分析和資源分析等問題分析工具，還有解決技術(shù)矛盾的40個發(fā)明原理、解決物理矛盾的分離原理、科學原理效應庫和發(fā)明問題的76個標準解等問題求解工具，TRIZ工具可以用來幫助系統(tǒng)設(shè)計圍繞或規(guī)避專利的過程［9］。將TRIZ理論引入創(chuàng)新教育的課程當中，并應用于專利分析，有利于學生擺脫慣性思維，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)不足，并針對其不足之處做后續(xù)的創(chuàng)新設(shè)計。

1.2 專利分析與規(guī)避策略

專利規(guī)避起源于美國的合法競爭行為，是企業(yè)從法律角度避開其他競爭公司專利保護范圍而進行的新設(shè)計繞道發(fā)展的設(shè)計過程，為達到避免專利權(quán)人進行專利訴訟的目的［11］。專利規(guī)避在產(chǎn)品開發(fā)行業(yè)中發(fā)揮著重要作用，專利規(guī)避是一個過程，其準則是建立在專利侵權(quán)法的規(guī)則基礎(chǔ)上的，以協(xié)助創(chuàng)造不侵犯專利權(quán)的新產(chǎn)品。專利規(guī)避是對專利的核心原理進行規(guī)避或再發(fā)展，即對專利技術(shù)進行挖掘，找到創(chuàng)新點，分析其存在的技術(shù)缺陷及改進方向，從而有針對性地發(fā)展專利，實現(xiàn)專利規(guī)避［8］。

專利規(guī)避常見的有4種方法：刪除、替換、合并和分解［11］。刪除法就是裁剪一個或?qū)€技術(shù)特征，并將其功能轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)的其他組件。替換法是將一個或者多個技術(shù)特征用其他技術(shù)方案取代，并實現(xiàn)相同功能。合并法是將系統(tǒng)的一個或多個技術(shù)特征組合成新特征，且該新特征是有實質(zhì)上的改善，而不是原特征的簡單疊加。分解法是用多個技術(shù)特征來實現(xiàn)一個原技術(shù)特征的功能。專利規(guī)避方法如表1所示。

1.3 基于專利分析的創(chuàng)新設(shè)計流程

通過實踐教學，能夠結(jié)合TRIZ理論進行專利分析及創(chuàng)新設(shè)計，將相關(guān)理論有效應用到實際的案例中。除了專利分析，將TRIZ理論中的工具應用到解決專利規(guī)避創(chuàng)新設(shè)計中產(chǎn)生的問題，能引導學生尋找求解的方向，獲取求解的思路。給出了基于專利分析的創(chuàng)新設(shè)計流程，該流程分為4個階段，如圖1所示。

表1 專利規(guī)避方法

圖1 基于專利分析的創(chuàng)新設(shè)計流程

（1）確定分析對象。這一階段包括給定課題方向、檢索相關(guān)專利、分析專利、建立功能模型和確定規(guī)避對象。老師先給學生確定課題方向，學生根據(jù)該方向檢索專利，并運用所學的理論知識進行專利分析，建立專利的功能模型，從該模型中尋找有害、過?；騼r值低等的功能作為裁剪對象。

（2）定義問題。這一階段運用了專利規(guī)避策略中的方法對系統(tǒng)模型中分析對象進行改進。分析系統(tǒng)模型，確定組件功能是否能刪除、替換、拆分或組合，從而明確使用的規(guī)避方法。由于系統(tǒng)的一個或多個技術(shù)特征改變，會引起技術(shù)沖突或矛盾、物理矛盾等問題，分析規(guī)避后的模型，定義問題屬于哪一類，有利于后續(xù)運用TRIZ問題求解工具進行解決。

（3）解決問題與確定方案。這一階段包括各類求解工具和設(shè)計方案。對于技術(shù)矛盾可用39個通用工程參數(shù)來描述和40個發(fā)明原理來解決；物質(zhì)-場分析可以確定系統(tǒng)的功能是否齊全，若系統(tǒng)存在缺陷，如有害功能，功能元件缺失和不足功能等，可用76個標準解來解決；還有科學原理效應庫和分離原理等都可用來解決問題。在問題解決后確定設(shè)計方案。

（4）侵權(quán)判定。為防止侵權(quán)，在確定方案后需進行侵權(quán)判定。目前法律上公認的專利侵權(quán)判定原則有：全面覆蓋原則、等同原則、禁止反悔原則和多余指定原則。通過對比原方案和新方案，判斷新方案的技術(shù)是否落入規(guī)避方案的保護范圍，并對比兩者技術(shù)能力的“價值性”“有效性”及“可靠性”，以保證最后的規(guī)避方案既滿足實用性要求又滿足不侵權(quán)要求［12］。

2 基于專利分析的創(chuàng)新設(shè)計案例

在TRIZ理論課程結(jié)束后，要求學生分組以基于專利分析的創(chuàng)新設(shè)計流程進行實踐，取得了良好的效果，下面通過一個小組以鉛筆延長器作為研究內(nèi)容的案例來進行說明。他們選擇了專利號為201010265651.5 的鉛筆延長器［13］進行分析，其所包括的主要元件如圖2所示。鉛筆延長器主要用于解決鉛筆長度不夠，無法使用而造成的資源浪費，依據(jù)專利說明書描述的技術(shù)實施方案建立各組件之間的關(guān)系。

（1）旋緊套1和夾緊片2的關(guān)系為：旋緊套1∧壓緊∧夾緊片2；

（2）夾緊片2和鉛筆的關(guān)系為：夾緊片2∧夾緊∧鉛筆；

（3）推進桿4和鉛筆的關(guān)系為：推進桿4∧推進∧鉛筆。

∧代表“與”關(guān)系，說明符號前后的兩個組件有相互作用關(guān)系。

圖2 鉛筆延長器

延長器功能主要是將鉛筆壓緊在壓緊片中，從而實現(xiàn)延長功能。所以定義旋緊套和夾緊片作用的功能類型為基本作用，而推進桿作用的功能類型為輔助作用。從而建立如表2所示的主要元件之間的關(guān)系，并建立功能模型如圖3所示。

表2 延長器組件的主要功能關(guān)系

圖3 鉛筆延長器的功能模型

由圖3可見，推進桿對于鉛筆的推進作用是過剩的作用，采用刪除法進行裁剪。因而得到裁剪變體如圖4所示。

圖4 鉛筆延長器的裁剪變體

由于原作用為過剩作用，裁剪之后得到的模型產(chǎn)生了一個問題，即如何調(diào)整鉛筆的長度。采用沖突參數(shù)將它轉(zhuǎn)化為TRIZ問題。步驟如下：應用TRIZ中39個工程參數(shù)描述問題需要改善的參數(shù)為33可操作性，惡化的工程參數(shù)為32可制造性。查找矛盾矩陣的結(jié)果為2抽取（提取，找回，移走）、5合并、12等勢。根據(jù)發(fā)明原理會引發(fā)不同的設(shè)計方案，如原理2會引導設(shè)計者只抽取物體中需要的部分或特征，降低機構(gòu)復雜性且不影響整體功能。

根據(jù)TRIZ的原理解進行鉛筆延長器的技術(shù)方案設(shè)計。對于出現(xiàn)的問題，采用以下解決方案：

（1）裁剪掉原專利中的推進桿和凸環(huán)。因為通過松開旋緊套，便可調(diào)整鉛筆的外露長度，故無需推進桿和凸環(huán)對鉛筆進行推壓。

（2）把旋緊套和壓緊片的螺紋用方形鋸齒代替。因為從螺紋配合的接觸疲勞以及實際使用的反饋會發(fā)現(xiàn)：使用一段時間后，螺紋磨損明顯導致打滑，從而失去使用價值。

這樣得到的結(jié)果操作方便，同時由于結(jié)構(gòu)的裁剪，故加工復雜度和成本大幅降低，能夠滿足大部分客戶的需求。因此得到新的鉛筆延長器，如圖5所示。

該方案針對原專利所設(shè)計的鉛筆延長器中的推進這一過剩功能以及螺紋配合導致的壽命過短的問題，通過利用裁剪結(jié)構(gòu)及更換配合方式來規(guī)避原專利中的專利保護范圍。此設(shè)計方案既吸取了該專利的技術(shù)優(yōu)勢，又針對其功能過剩進行了改進，在不侵犯現(xiàn)有專利保護范圍的前提下實現(xiàn)了鉛筆延長的功能，同時改善了可操作性，提高了使用壽命及降低了加工的成本。

該組學生不但對學習的理論知識和方法很好地運用在本次課程設(shè)計里面，還將其成果申請了實用新型專利，且已成功獲得授權(quán)［14］。

圖5 規(guī)避設(shè)計方案

3 專利分析實踐教學的價值

3.1 有利于學生利用專利文獻中的技術(shù)

專利文獻作為技術(shù)信息最有效的載體，囊括了全球90%以上的最新技術(shù)情報，相比一般技術(shù)刊物所提供的信息早5～6年，而且70% ～80%發(fā)明創(chuàng)造只通過專利文獻公開，并不見諸于其他科技文獻，相對于其他文獻形式，專利更具有新穎、實用的特征?？梢?，專利文獻是世界上最大的技術(shù)信息源，另據(jù)實證統(tǒng)計分析，專利文獻包含了世界科學技術(shù)信息的90% ～95%［15］。將專利應用于創(chuàng)新教育中，通過相關(guān)課程介紹專利的檢索與分析，引導學生充分利用專利文獻中的技術(shù)，有助于學生擴充知識面，減少由于經(jīng)驗不足而無法進行創(chuàng)新設(shè)計的障礙。

3.2 有利于提高學生的創(chuàng)新能力

大學生在進行創(chuàng)新設(shè)計時，由于慣性思維和經(jīng)驗不足而難以進行，通過查看專利文獻，學習當中的技術(shù)，可以運用到自己的設(shè)計當中去，從而培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維，配合專利分析的相關(guān)方法，學生可以從中發(fā)現(xiàn)缺陷，進行改進，成為一個新的設(shè)計，去申請專利，在長期的訓練當中，可提高學生的創(chuàng)新能力。除了可以應用專利文獻的技術(shù)，也可培養(yǎng)學生運用專利工具保護創(chuàng)新成果。將專利申請流程，所要撰寫的申請文件教授給學生，讓學生懂得如何撰寫所要保護的技術(shù)范圍和了解申請過程。

3.3 有利于提高大學生的社會工作能力

人才是社會發(fā)展的資本，創(chuàng)新型社會發(fā)展催生了對創(chuàng)新型人才極大需求。在重視知識產(chǎn)權(quán)的現(xiàn)代，許多企業(yè)由于專利技術(shù)的壁壘（專利所有人依據(jù)專利權(quán)向使用專利產(chǎn)品的制造商收取高額費用）［16］，而無法使用新技術(shù)，故現(xiàn)代企業(yè)需要掌握專利知識，并能規(guī)避專利壁壘進行創(chuàng)新設(shè)計的人才。在大學期間，將專利規(guī)避設(shè)計加入教學計劃中，可培養(yǎng)大學生利用專利文獻的意識，并掌握專利規(guī)避策略，進行創(chuàng)新設(shè)計，成為能為企業(yè)突破專利技術(shù)壁壘，研發(fā)新產(chǎn)品的創(chuàng)新型人才。

4 結(jié) 語

創(chuàng)新教育是時代的需求，如何培養(yǎng)出具有創(chuàng)新能力的人才是各個高校的重點任務之一。專利包含著世界上90%的最新技術(shù)，將其應用到創(chuàng)新教育中去，有助于學生了解新技術(shù)和激發(fā)創(chuàng)新熱情。通過基于專利分析的創(chuàng)新設(shè)計學習和實踐，可以讓學生懂得如何去有效地分析專利，運用專利規(guī)避設(shè)計和TRIZ中的問題求解工具，解決專利技術(shù)中的缺陷，形成一個新的設(shè)計方案且不侵犯原專利權(quán)，并將成果申請新專利，將有助于培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維，提高學生的創(chuàng)新能力。