李明龍，呂其峰，孫 喆，劉春含，杜宇輝，劉靜娜

（1.天津理工大學(xué)天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384；2.天津理工大學(xué)機(jī)電工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心，天津 300384）

TRIZ理論起初用于探究問(wèn)題和處理問(wèn)題，它名字的來(lái)源可以追溯到俄羅斯，俄羅斯語(yǔ)翻譯成中文的意思是“發(fā)明問(wèn)題解決理論”。在應(yīng)用TRIZ 理論解決問(wèn)題時(shí)通常需要經(jīng)過(guò)3 個(gè)階段，分別是：認(rèn)知問(wèn)題、處理問(wèn)題和概念創(chuàng)新。通過(guò)系統(tǒng)組件分析、資源分析與因果分析等方法對(duì)所分析系統(tǒng)中存在的問(wèn)題進(jìn)行確認(rèn)[1]。運(yùn)用矛盾求解，物場(chǎng)求解等手段對(duì)目標(biāo)問(wèn)題設(shè)定系統(tǒng)性的解決方向和解決方案，在獲得所有的解決方案后，總結(jié)每一個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)，分析該方案是否為最優(yōu)解。

1 相關(guān)問(wèn)題概述

小學(xué)生、中學(xué)生以及大學(xué)生的課堂上，黑板和粉筆仍然發(fā)揮著重要作用。然而，在教師書(shū)寫(xiě)過(guò)程和清理過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量粉塵，嚴(yán)重危害師生的身體健康，尤其對(duì)呼吸道、肺、眼睛、皮膚的危害極大，極易形成某些難對(duì)付的慢性病[2]。同時(shí)，粉筆灰也破壞了教室的衛(wèi)生（見(jiàn)圖1）。

圖1 使用粉筆而產(chǎn)生的嚴(yán)重灰塵

隨著科技進(jìn)步、教育事業(yè)的發(fā)展，雖然多媒體等新一代“電子屏”教學(xué)設(shè)備不斷涌現(xiàn)，但是仍有教室投入使用的是傳統(tǒng)黑板，無(wú)塵“電子屏”時(shí)代并沒(méi)有完全到來(lái)。根據(jù)相關(guān)資料顯示，主要是由于傳統(tǒng)教室基數(shù)大，大規(guī)模投入電子設(shè)備成本非常大；板書(shū)文化傳承已久，使用電子屏存在習(xí)慣問(wèn)題和方便問(wèn)題； “電子屏”等相關(guān)設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間的使用會(huì)對(duì)學(xué)生的眼睛造成一定程度的傷害[3]。

綜上所述，當(dāng)前需要既經(jīng)濟(jì)又實(shí)用的教學(xué)用具來(lái)實(shí)現(xiàn)教學(xué)目的，本文將對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行分析與創(chuàng)新。

2 基于TRIZ 理論的傳統(tǒng)板書(shū)教學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

運(yùn)用TRIZ 理論來(lái)解決問(wèn)題，主要基本思想是分析模型中存在的問(wèn)題，通過(guò)TRIZ 工具進(jìn)行合理的歸類(lèi)，再通過(guò)其類(lèi)別內(nèi)的解決方法類(lèi)型來(lái)確定問(wèn)題的解決方向，最后根據(jù)模型所處實(shí)際情況進(jìn)行分析總結(jié)，并得出最終的解決方案[4]。

2.1 傳統(tǒng)板書(shū)教學(xué)組件分析

傳統(tǒng)板書(shū)教學(xué)系統(tǒng)的組件見(jiàn)表1。

表1 傳統(tǒng)板書(shū)教學(xué)系統(tǒng)

圖2 為傳統(tǒng)板書(shū)教學(xué)系統(tǒng)的功能模型。由圖2可知，該板書(shū)教學(xué)系統(tǒng)的功能模型具有兩種功能，分別是有用功能和有害功能。有害功能會(huì)導(dǎo)致不理想的結(jié)果，如粉筆自身產(chǎn)生的灰塵，吸附灰塵的板擦產(chǎn)生的灰塵，手拿板擦或粉筆吸附在手上的灰塵，這些灰塵所產(chǎn)生的有害結(jié)果會(huì)通過(guò)空氣進(jìn)入人的呼吸系統(tǒng)，對(duì)身體產(chǎn)生不良影響。

圖2 傳統(tǒng)板書(shū)教學(xué)系統(tǒng)的功能模型

從功能模型可以確定產(chǎn)生問(wèn)題的3 種功能：一是手接觸粉筆，在書(shū)寫(xiě)過(guò)程中，粉塵黏附于手，通過(guò)運(yùn)動(dòng)揚(yáng)起，進(jìn)入呼吸道；二是板擦清除粉筆字的過(guò)程中，板擦未全部吸收粉塵導(dǎo)致其揚(yáng)起；三是粉筆與黑板接觸，在書(shū)寫(xiě)過(guò)程中產(chǎn)生粉塵。這3 種功能都會(huì)產(chǎn)生粉塵，屬于有害功能。

2.2 工程參數(shù)與矛盾分析

為使在該系統(tǒng)中的具體實(shí)際問(wèn)題轉(zhuǎn)為T(mén)RIZ 問(wèn)題，可以通過(guò)使用阿奇舒勒先生在對(duì)大量的工程實(shí)際與專(zhuān)利文獻(xiàn)分析中總結(jié)出的39 個(gè)通用技術(shù)參數(shù)，來(lái)進(jìn)行問(wèn)題的轉(zhuǎn)換。這些通用技術(shù)參數(shù)基本概括了工程領(lǐng)域中出現(xiàn)的絕大部分技術(shù)矛盾問(wèn)題[5]。

2.2.1技術(shù)矛盾分析

如果粉筆具備了一定的黏度，那么就能在很大程度上解決粉筆在書(shū)寫(xiě)過(guò)程中產(chǎn)生粉塵的問(wèn)題。然而粉筆具備一定程度上的黏度，必然會(huì)帶來(lái)書(shū)寫(xiě)上的不便，概括為技術(shù)參數(shù)就是：減少了粉筆書(shū)寫(xiě)過(guò)程中粉塵的產(chǎn)生，導(dǎo)致了其使用的方便性降低。這就構(gòu)成了一組技術(shù)矛盾。

可以用39 個(gè)通用技術(shù)參數(shù)中的兩個(gè)來(lái)描述這個(gè)矛盾的兩個(gè)方面。

有利的參數(shù)——40 物體產(chǎn)生的有害因素（書(shū)寫(xiě)在黑板上的粉筆顆粒有一定的黏性，能很好地黏附在黑板上，小顆粒沉淀降低了產(chǎn)生粉塵小顆粒的可能性）

有害的參數(shù)——34 使用的方便性 （操作性）（粉筆具備一定程度上的黏性勢(shì)必會(huì)帶來(lái)書(shū)寫(xiě)方面的不舒服、不方便）

受到35 號(hào)原理（物理或化學(xué)參數(shù)的改變）和40 號(hào)原理（復(fù)合材料）的啟發(fā)，嘗試改變粉筆的化學(xué)成分來(lái)改變粉筆的黏度，以達(dá)到除去書(shū)寫(xiě)時(shí)產(chǎn)生的絕大部分粉塵。通過(guò)檢查日常教室中的粉筆盒，發(fā)現(xiàn)目前市面上所采用的絕大多數(shù)粉筆是由石膏制成的，其成分主要為碳酸鹽[6]，易粉末化，在書(shū)寫(xiě)過(guò)程中容易產(chǎn)生大量的粉塵。而作為粉筆的同類(lèi)書(shū)寫(xiě)產(chǎn)品——蠟筆，因其油性易黏，從而可以達(dá)到無(wú)塵的狀態(tài)。

類(lèi)比普通的粉筆固化，在其中加入甘油等油脂類(lèi)物質(zhì)[7]，使粉筆油化、蠟化，同時(shí)選擇泥灰?guī)r和黏土相互結(jié)合的方式來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)單一的硫酸鈣，其目的是為了加重“粉筆”粉塵顆粒的重量，使其即使有極小部分揮發(fā)進(jìn)入空氣也能自行沉淀。

通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，日常使用的粉筆通常截面為六角形呈棱柱結(jié)構(gòu)，新粉筆在書(shū)寫(xiě)過(guò)程中， “粉筆”與黑板的接觸面積較小，呈直角接觸，壓強(qiáng)大，結(jié)合40 個(gè)創(chuàng)新原理中的14 號(hào)創(chuàng)新原理：曲面化來(lái)解決。

通過(guò)查閱資料可知，教師書(shū)寫(xiě)粉筆最佳角度為15°。因此將直棱柱的粉筆改進(jìn)為子彈頭型，增加了新粉筆在書(shū)寫(xiě)過(guò)程中的接觸面積[8]，進(jìn)一步減少了粉塵的產(chǎn)生，增加了新粉筆書(shū)寫(xiě)的流暢性。

2.2.2運(yùn)用物理矛盾解決問(wèn)題

物理矛盾分析：參數(shù)減少粉塵， （需要） “粉筆”具有一定的黏度，因?yàn)橐獪p少書(shū)寫(xiě)過(guò)程中的粉塵揮發(fā)；參數(shù)減少粉塵， （需要） “粉筆”不具有特別大的黏度，因?yàn)橐阌诎宀廖杖糠蹓m，方便將黑板清理干凈的同時(shí)，不揚(yáng)起粉塵。

以下采用時(shí)間分離與系統(tǒng)級(jí)別分離的解決方案。時(shí)間分離的解決方案為在書(shū)寫(xiě)階段和板擦清理階段明顯存在著一個(gè)時(shí)間差，運(yùn)用時(shí)間分離使“粉筆”在書(shū)寫(xiě)過(guò)程中具備一定程度的黏性，不易于粉塵的揮發(fā)揚(yáng)起， “粉筆”在板擦擦拭清理過(guò)程中不具備非常大的黏性，便于板擦完全吸收清理粉塵并不揚(yáng)起粉塵。系統(tǒng)級(jí)別的解決方案為由于板擦自身為消耗品，故采用了技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化趨勢(shì)中的向超系統(tǒng)過(guò)度的進(jìn)化趨勢(shì)，希望通過(guò)板擦與黑板超系統(tǒng)之間的相互配合來(lái)實(shí)現(xiàn)粉塵的“無(wú)塵”清理。結(jié)合系統(tǒng)級(jí)別分離原理內(nèi)28 號(hào)發(fā)明原理：機(jī)械系統(tǒng)替代原理中使用與物體相互作用的電磁場(chǎng)，通過(guò)靜電除塵的方法，以求板擦在擦拭清理干凈黑板的同時(shí)，完全吸收粉塵。

受當(dāng)前技術(shù)水平和粉筆成本問(wèn)題的限制，時(shí)間分離方案的可行性較低不利于實(shí)現(xiàn)，可以嘗試通過(guò)系統(tǒng)級(jí)別分離的方法去解決問(wèn)題。

針對(duì)板擦除塵方面參考到了工業(yè)上采用的靜電除塵原理進(jìn)行改進(jìn)，在日常的黑板一側(cè)設(shè)置一塊由塑料涂層構(gòu)成的靜電區(qū)[9]，在擦拭清理過(guò)程中，用板擦在黑板的靜電區(qū)來(lái)回摩擦接觸起電，使板擦帶上一定程度的靜電，從而輕易的擦去黑板上的粉筆字，靜電的吸附性防止了因板擦吸力不足問(wèn)題而揚(yáng)起粉塵的發(fā)生。

2.2.3運(yùn)用物場(chǎng)模型分析解決問(wèn)題

教師書(shū)寫(xiě)過(guò)程，粉筆灰會(huì)黏附在教師的手上，物場(chǎng)模型見(jiàn)圖3。

圖3 原始物場(chǎng)模型圖

利用物場(chǎng)分析的第5 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)解法中S5.1.1 有害模型1 來(lái)解決問(wèn)題。加入第三種物質(zhì)，阻止有害作用。新物場(chǎng)模型見(jiàn)圖4。

圖4 新物場(chǎng)模型圖

受物-場(chǎng)模型的啟發(fā)，嘗試在粉筆的外層加入特殊物質(zhì)，來(lái)隔絕書(shū)寫(xiě)過(guò)程中與手的直接接觸，如添加多層復(fù)合隔膜絕材料涂層[10]。書(shū)寫(xiě)部分的填涂層會(huì)因?yàn)榕c黑板的摩擦暴露出內(nèi)部的粉筆層，并不會(huì)影響教學(xué)過(guò)程中的書(shū)寫(xiě)問(wèn)題。完美的解決了手—粉筆系統(tǒng)作用過(guò)程中產(chǎn)生粉塵的問(wèn)題。

3 最終方案確定

通過(guò)TRIZ 理論對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行分析后，運(yùn)用TRIZ 工具生成解決該系統(tǒng)問(wèn)題的4 種方案，然后將這4 種方案進(jìn)行組合得到最終方案。添加一定比例的甘油等油脂類(lèi)物質(zhì)與泥灰?guī)r、黏土以增加粉筆黏度，改變粉筆外形并在粉筆外層涂抹隔離物質(zhì)。板擦與黑板系統(tǒng)采用靜電除塵板擦系統(tǒng)。最終避免了粉筆在書(shū)寫(xiě)過(guò)程中產(chǎn)生大量粉塵，以及板擦能力不強(qiáng)，易揚(yáng)起粉塵的問(wèn)題。實(shí)現(xiàn)了無(wú)塵板書(shū)教學(xué)系統(tǒng)，見(jiàn)圖5、圖6、圖7。

圖5 改進(jìn)粉筆隔膜剖面

圖6 改進(jìn)粉筆最終模型

圖7 改進(jìn)黑板模型

4 結(jié)束語(yǔ)

本文運(yùn)用了TRIZ 理論及其解決問(wèn)題的方法，對(duì)傳統(tǒng)板書(shū)教學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)與設(shè)計(jì)。運(yùn)用TRIZ 工具對(duì)原系統(tǒng)中的部件進(jìn)行了分析，找到系統(tǒng)存在的關(guān)鍵問(wèn)題，并通過(guò)矛盾求解明確解決方法類(lèi)型后確定解決方案對(duì)其存在的矛盾問(wèn)題進(jìn)行求解。通過(guò)對(duì)多種方案進(jìn)行測(cè)評(píng)與組合，獲得了無(wú)塵教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。