張偉杰，付曉莉，車江寧

（中原工學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，河南鄭州 450007）

工業(yè)設(shè)計專業(yè)是技術(shù)與藝術(shù)、科技和人文等多學(xué)科相互融合，與企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)制造緊密聯(lián)系的交叉學(xué)科。2022 年5 月，河南省教育廳《關(guān)于加強(qiáng)普通高等學(xué)校設(shè)計類人才培養(yǎng)的指導(dǎo)意見》指出：“加強(qiáng)普通高等學(xué)校設(shè)計類人才培養(yǎng)是全面落實創(chuàng)新驅(qū)動、科教興省、人才強(qiáng)省戰(zhàn)略的必然要求，是建設(shè)‘設(shè)計河南’、融入新發(fā)展格局、推動我省更多產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)成為國內(nèi)大循環(huán)和國內(nèi)國際雙循環(huán)關(guān)鍵環(huán)節(jié)中高端的迫切需要。”[1]高校作為人才培養(yǎng)的基地，理應(yīng)為區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展培養(yǎng)高素質(zhì)人才。中原工學(xué)院是省屬普通高等工科院校，工業(yè)設(shè)計專業(yè)為省級一流本科專業(yè)和國家一流本科專業(yè)建設(shè)點(diǎn)，近年來，圍繞區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展對具備創(chuàng)新能力的設(shè)計人才的迫切需求，工業(yè)設(shè)計專業(yè)教師積極進(jìn)行課程改革，使培養(yǎng)的人才更貼近社會需求。

在創(chuàng)新人才培養(yǎng)方面：梁雪梅等提出基于TRIZ的工業(yè)設(shè)計人員創(chuàng)新力培養(yǎng)體系，包括創(chuàng)新力培養(yǎng)目標(biāo)、培養(yǎng)課程和創(chuàng)新教學(xué)模式等核心板塊[2]；劉力萌、曾曦、楊勤等基于TRIZ 理論進(jìn)行產(chǎn)品概念設(shè)計、老年輪椅設(shè)計和行李箱的設(shè)計研究[3-5]。由此可見：TRIZ在創(chuàng)新人才培養(yǎng)方面有重要作用。

TRIZ 理論（發(fā)明問題解決理論）是由蘇聯(lián)科學(xué)家、發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒及其團(tuán)隊在分析世界范圍內(nèi)250 多萬件高水平發(fā)明專利的基礎(chǔ)上總結(jié)提煉出來的，經(jīng)過后期持續(xù)發(fā)展和完善，TRIZ 理論已經(jīng)發(fā)展成為一套服務(wù)技術(shù)創(chuàng)新的成熟理論和方法體系，在產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計中應(yīng)用廣泛[6]。

本文針對中原工學(xué)院工業(yè)設(shè)計專業(yè)學(xué)生工科背景的特點(diǎn)，對工業(yè)設(shè)計工程基礎(chǔ)課程進(jìn)行教學(xué)改革，建立TRIZ 創(chuàng)新理論和工業(yè)設(shè)計工程基礎(chǔ)課程耦合的關(guān)系，把TRIZ 導(dǎo)入理論教學(xué)內(nèi)容、實驗項目和綜合設(shè)計項目等教學(xué)環(huán)節(jié)，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，鍛煉學(xué)生的工程實踐能力，解決設(shè)計人才創(chuàng)新能力不足的問題。

1 課程現(xiàn)狀

中原工學(xué)院工業(yè)設(shè)計專業(yè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程包括機(jī)械制圖、材料成型工藝基礎(chǔ)、工業(yè)設(shè)計基礎(chǔ)等工程類課程，能夠滿足學(xué)生工程基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)的需求。工業(yè)設(shè)計工程基礎(chǔ)是工業(yè)設(shè)計專業(yè)的一門基礎(chǔ)必修課程，課程內(nèi)容以實踐應(yīng)用為主。工業(yè)設(shè)計工程基礎(chǔ)課程教學(xué)內(nèi)容分為兩部分，并分兩個學(xué)期進(jìn)行授課，第一部分講授工程力學(xué)、機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)等內(nèi)容，第二部分講授單片機(jī)基礎(chǔ)及應(yīng)用。第二部分講授內(nèi)容區(qū)別于機(jī)械電子工程等專業(yè)的單片機(jī)相關(guān)課程內(nèi)容，學(xué)生前期沒有修過大學(xué)物理、電工電子技術(shù)、C 語言編程基礎(chǔ)等相近課程，因此，對學(xué)生理論知識的要求相對不高，更注重學(xué)生實踐應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

工業(yè)設(shè)計工程基礎(chǔ)課程第二部分內(nèi)容共計30 個學(xué)時。課程偏向?qū)嵺`應(yīng)用，綜合成績構(gòu)成為：平時成績占比60%，期末成績占比40%。期末成績根據(jù)結(jié)課作業(yè)完成度進(jìn)行打分。結(jié)課作業(yè)為一項綜合設(shè)計任務(wù)，即進(jìn)行一款創(chuàng)意產(chǎn)品樣機(jī)的設(shè)計，需要結(jié)合所學(xué)的單片機(jī)知識對樣機(jī)進(jìn)行控制并實現(xiàn)三個及以上功能。綜合設(shè)計任務(wù)是讓學(xué)生借助三維設(shè)計軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)及外觀的設(shè)計，運(yùn)用激光切割、雕刻、3D 打印等進(jìn)行零部件的加工，通過單片機(jī)等進(jìn)行模型控制，使設(shè)計的作品生動逼真[7]。

課程目的是希望學(xué)生在完成畢業(yè)設(shè)計的過程中，能夠把控制技術(shù)引入到作品的設(shè)計中，由過去單一的靜態(tài)模型展示過渡到動靜結(jié)合的交互展示，體現(xiàn)學(xué)生對新知識、新技能的綜合應(yīng)用能力，通過對兩屆學(xué)生的實驗性教學(xué)，發(fā)現(xiàn)存在以下問題：

（1）雖然學(xué)生對課程興趣較大，但由于課程學(xué)時較少，同時學(xué)生缺乏電工電子技術(shù)和C 語言編程的基礎(chǔ)知識儲備，隨著課程的深入，學(xué)生學(xué)習(xí)困難。

（2）在綜合設(shè)計任務(wù)的模型制作中，有些學(xué)生用紙板、KT 板軟性材料制作模型，有些學(xué)生網(wǎng)購已有套件拼裝模型，缺乏自主創(chuàng)新。

（3）在課程學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生積極思考、主動學(xué)習(xí)的能力仍需提高，創(chuàng)新思維和創(chuàng)新理論及方法需要鍛煉和培養(yǎng)。

2 課程改革

目前，已有很多學(xué)者就TRIZ 理論在教學(xué)改革中的應(yīng)用進(jìn)行理論研究與實踐探索：史浩良等將創(chuàng)新方法引入產(chǎn)品的數(shù)字化設(shè)計之中[8]；張鵬等在測控技術(shù)與儀器專業(yè)課程設(shè)計與實踐中結(jié)合TRIZ 進(jìn)行實踐教學(xué)改革研究[9]；陳良兵等提出基于TRIZ 和專業(yè)課程建立緊耦合關(guān)系，從理論課、實驗課和學(xué)科競賽三方面建立模塊化和層次化的教學(xué)體系[10]；周琴等基于TRIZ建立新的工程制圖課程體系，發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性[11]；鄭瑾提出基于TRIZ 創(chuàng)新方法重構(gòu)課程教學(xué)內(nèi)容，采用“專創(chuàng)融合”的教學(xué)方法開展啟發(fā)式教學(xué)[12]；徐環(huán)斐等把TRIZ 理論和專業(yè)課程結(jié)合進(jìn)行教學(xué)改革實踐，取得較好的效果[13]；陳硯等用TRIZ 指導(dǎo)機(jī)械基礎(chǔ)課程實驗教學(xué)改革，提高實驗課程的教學(xué)效果，鍛煉學(xué)生綜合分析問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計的能力[14]。根據(jù)文獻(xiàn)可知：基于TRIZ 進(jìn)行理論課程和實踐環(huán)節(jié)的改革，都取得了比較好的效果。

2.1 改革總體思路

根據(jù)工業(yè)設(shè)計專業(yè)學(xué)生特點(diǎn)和人才培養(yǎng)的目標(biāo)要求，為使學(xué)生既要有設(shè)計師的創(chuàng)新設(shè)計能力，又具備工程師的工程實踐能力，把TRIZ 創(chuàng)新理論融入工業(yè)設(shè)計工程基礎(chǔ)課程教學(xué)過程，從理論教學(xué)內(nèi)容、實驗項目、綜合設(shè)計任務(wù)、創(chuàng)新方法等方面進(jìn)行實踐探索。建立課程與TRIZ 的耦合關(guān)系，如圖1 所示。用TRIZ 的創(chuàng)新性思維、技術(shù)矛盾及發(fā)明原理、物理矛盾及分離原理、技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則等融合課程教學(xué)。例如，用技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法制講述Arduino 硬件發(fā)展的趨勢、用技術(shù)矛盾及發(fā)明原理解決實驗項目過程中的問題、運(yùn)用創(chuàng)造性思維開展綜合設(shè)計任務(wù)。

圖1 建立課程與TRIZ 的耦合關(guān)系

2.2 課程教學(xué)改革

（1）課程內(nèi)容改革。

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，智能家電、智能玩具、智能穿戴等產(chǎn)品進(jìn)入日常生活，這也符合技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則。但對于沒有單片機(jī)技術(shù)及編程技術(shù)基礎(chǔ)的工業(yè)設(shè)計人員來說，智能產(chǎn)品的功能開發(fā)設(shè)計難度很大。Arduino 開源硬件可以使設(shè)計人員專注于產(chǎn)品設(shè)計，降低對其單片機(jī)基礎(chǔ)的要求。Arduino 開源硬件具有對初學(xué)者友好、開放性、第三方社區(qū)平臺支持、開發(fā)成本低的特點(diǎn)，經(jīng)過十幾年的發(fā)展，逐漸成為全球最流行的開源硬件。同時越來越多的專業(yè)硬件開發(fā)者已經(jīng)使用Arduino 進(jìn)行項目開發(fā)，國內(nèi)一些高校的自動化、軟件、藝術(shù)專業(yè)也開設(shè)相關(guān)課程。

在保持教學(xué)學(xué)時不變的情況下，教師要合理調(diào)整各知識點(diǎn)的講授時間，增加實驗學(xué)時。教師要結(jié)合學(xué)生專業(yè)特點(diǎn)，重點(diǎn)講解適用、貼近技術(shù)發(fā)展的新知識。把原課程AT89S51 單片機(jī)內(nèi)容更換為Arduino UNO 開源硬件的基礎(chǔ)應(yīng)用，包括發(fā)光二極管、數(shù)碼管、LCD1602 液晶顯示屏等輸出顯示設(shè)備，按鍵、光電傳感器、超聲波傳感器、溫度傳感器等輸入控制設(shè)備，直流電動機(jī)、舵機(jī)、步進(jìn)電機(jī)等執(zhí)行設(shè)備。課程內(nèi)容改革前后對比如表1 所示。合理設(shè)計實驗項目，使實驗項目內(nèi)容緊貼先進(jìn)知識技術(shù)，不僅是課程內(nèi)容的鞏固和驗證，更體現(xiàn)課程知識點(diǎn)的延伸。

表1 工業(yè)設(shè)計工程基礎(chǔ)課程改革前后內(nèi)容和學(xué)時對比

把TRIZ 理想解、創(chuàng)新分類、克服慣性思維、技術(shù)矛盾、技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則等基本概念引入理論教學(xué)、實驗教學(xué)和綜合設(shè)計任務(wù)的教學(xué)實施過程中。用技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則向?qū)W生講解電子器件和電路的技術(shù)發(fā)展路線和理想化模型；要求學(xué)生用創(chuàng)新思維和矛盾矩陣進(jìn)行產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計，結(jié)合專業(yè)特點(diǎn)和知識儲備進(jìn)行外觀顏色變化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、迭代設(shè)計、技術(shù)突破等方面的創(chuàng)新。

（2）實驗項目。

傳統(tǒng)的實驗項目只對課程內(nèi)容的鞏固和驗證，而缺乏對知識點(diǎn)的延展。改革后的實驗項目分別為流水燈的控制、LCD1602 顯示屏的控制、溫度測量與報警和直流電動機(jī)控制4 個實驗項目，共計8 學(xué)時。實驗?zāi)康牟粌H是增強(qiáng)學(xué)生對課程知識點(diǎn)的鞏固，還要求學(xué)生克服慣性思維，用實驗中所用的技術(shù)進(jìn)行發(fā)明設(shè)計。

“溫度測量與報警實驗”是改革后新增的實驗項目，它包括Arduino UNO、DHT11 溫濕度傳感器和LCD1602 液晶顯示屏、有源蜂鳴器等模塊，如圖2 所示。通過DHT11 測量環(huán)境中的溫度和濕度并通過LCD1602 進(jìn)行顯示，當(dāng)環(huán)境溫度超過設(shè)定值時，有源蜂鳴器發(fā)出警示聲音。

圖2 溫度測量與報警原理圖

按照常規(guī)做法，溫度和濕度顯示出來，蜂鳴器能報警、能停止，實驗就算正常結(jié)束。教師鼓勵學(xué)生利用實驗中的技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，解決日常生活中存在的問題。例如，要求學(xué)生結(jié)合實驗項目拓展設(shè)計一款人體溫度測量及報警裝置，既可測量個人溫度，又能測量宿舍溫度和濕度。課程中隨著TRIZ 內(nèi)容的融入，教師積極引導(dǎo)學(xué)生使用TRIZ 解決問題。方法一：先對問題進(jìn)行描述：DHT11 主要用作環(huán)境溫度測量，如果測量人體溫度，需要用手緊握傳感器進(jìn)行測量，所測量的溫度為與皮膚表面有一定距離的溫度，不是人體的溫度，接觸式測量體溫，交叉感染的風(fēng)險加大；接著運(yùn)用因果分析方法，得出問題產(chǎn)生的直接原因就是接觸式溫度測量，所以采用非接觸的方式進(jìn)行測量。方法二：接觸式測溫方式提高了溫度測量的精度，但容易交叉感染，產(chǎn)生有害因素，于是產(chǎn)生一對技術(shù)矛盾，并將這對矛盾標(biāo)準(zhǔn)化為測量精度和作用于物體的有害因素兩個通用工程參數(shù)。通過對TRIZ 矛盾矩陣分析，可使用以下發(fā)明原理解決技術(shù)矛盾，如表2 所示。

表2 矛盾矩陣（節(jié)選）

從表2 可知，可以參考發(fā)明原理中的28（機(jī)械系統(tǒng)的替代）、24（中介物）、22（變有害為有利）和26（復(fù)制）解決問題。經(jīng)過分析，發(fā)明原理28 比較合適，即用光學(xué)、聲學(xué)、味學(xué)等感覺性設(shè)計原理代替力學(xué)設(shè)計原理。經(jīng)查，紅外溫度傳感器可進(jìn)行非接觸式溫度測量，它的工作原理是：任何物體只要其溫度高于絕對零度，就會向外熱輻射能量，由于輻射波的波長不同，通過對物體自身紅外輻射的測量，便能準(zhǔn)確地測定其表面溫度。由此，把DHT11 模塊替換為MLX90614ESF-BBA紅外測溫模塊就能進(jìn)行非接觸式的人體溫度測量。通過此類引導(dǎo)，拓展了學(xué)生的工程實踐能力，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新意識。

（3）綜合設(shè)計任務(wù)。

綜合設(shè)計任務(wù)作為課程的結(jié)課作業(yè)，可體現(xiàn)學(xué)生對所學(xué)課程知識的綜合應(yīng)用能力。教師要求學(xué)生三人一組，以小組為單位制作一個作品模型，要求學(xué)生結(jié)合自身經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)并解決生活中的問題。有一組學(xué)生，根據(jù)家人蔬菜大棚種植的經(jīng)歷并結(jié)合課程知識和TRIZ理論，設(shè)計了一款智能蔬菜大棚。按照TRIZ 發(fā)明問題解決理論的創(chuàng)新設(shè)計流程，把要解決的問題抽象為一個問題模型，找出矛盾參數(shù)，并使用TRIZ 工具分析，進(jìn)行新產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計。綜合設(shè)計任務(wù)各完成階段與TRIZ 的關(guān)系如圖3 所示。

圖3 TRIZ 理論及應(yīng)用

智能蔬菜大棚根據(jù)植物生長所需環(huán)境參數(shù)設(shè)定值，通過Arduino UNO 控制器、溫濕度傳感器、滴灌裝置、排氣風(fēng)扇、草墊鋪設(shè)機(jī)構(gòu)等實現(xiàn)大棚內(nèi)部溫度和濕度的自動調(diào)節(jié)，降低人工勞動強(qiáng)度。綜合設(shè)計項目要求學(xué)生使用三維軟件進(jìn)行輔助設(shè)計和仿真優(yōu)化，確定方案制作出驗證模型。學(xué)生可借助激光切割、數(shù)控雕刻和3D 打印等加工技術(shù)進(jìn)行模型創(chuàng)作，同時采用Arduino 控制器、驅(qū)動電機(jī)、DHT11 溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、雨滴傳感器、LCD1602 顯示設(shè)備等，實現(xiàn)模型的運(yùn)動可控和交互功能。學(xué)生部分綜合設(shè)計任務(wù)案例如圖4 所示。

圖4 學(xué)生綜合設(shè)計驗證模型

3 結(jié)語

本文通過將工業(yè)設(shè)計工程基礎(chǔ)課程和TRIZ 緊密耦合，將TRIZ 理論體系貫穿于課程的理論教學(xué)、實驗項目和綜合設(shè)計任務(wù)中。從學(xué)生提交的綜合設(shè)計項目的作品可以看出：學(xué)生能夠結(jié)合生活中遇到的問題，提出需要解決的問題，運(yùn)用TRIZ 理論提出解決方案。通過課程改革與實踐，學(xué)生的創(chuàng)新意識、創(chuàng)新能力在循序漸進(jìn)中得到培養(yǎng)和鍛煉，真正達(dá)到了為社會培養(yǎng)高質(zhì)量專業(yè)設(shè)計人才的目的。