許慧珍 徐洪軍 曹習芳

摘要：提升設計人才的創(chuàng)新能力、工程實現(xiàn)能力。應用TRIZ理論的因果鏈分析法進行創(chuàng)意物化的痛點與難點分析，構建創(chuàng)意物化關鍵問題的物場模型，通過物場模型分析找到關鍵問題的最優(yōu)解，為創(chuàng)意物化的設計教學改革提供方向。實施“四階段”TRIZ課程培養(yǎng)計劃，建設“TRIZ+設計”教學資源，運用數(shù)字化的創(chuàng)意物化流程，組建跨專業(yè)的教學團隊，實施五步項目驅(qū)動教學法，量化創(chuàng)意物化的評價標準。有效地解決了設計教學中創(chuàng)意天馬行空、落地難、技術實現(xiàn)難的現(xiàn)狀，促進設計創(chuàng)新成果的轉化，助力培養(yǎng)制造業(yè)急需的設計人才。

關鍵詞：TRIZ理論；創(chuàng)意物化；因果鏈分析；物場模型；設計教學改革

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2024）01-0100-04

Abstract：To improve the innovation ability and engineering realization ability of design talents. The pain points and difficulties of creative materialization were analyzed by using the causal chain analysis method of TRIZ theory，and the object field model of the key problems of creative materialization was constructed. The optimal solution of the key problems was found through the analysis of the object field model，which provided the direction for the design teaching reform of creative materialization. "Four-stage" TRIZ curriculum training plan was implemented，"TRIZ+ Design" teaching resources were built，digital creative materialization process was used，cross-professional teaching team was established，five-step project-driven teaching method was implemented，and evaluation standards of quantified creative materialization were quantified. It can effectively solve the current situation of creativity，difficulty in landing and technology realization in design teaching，promote the transformation of design innovation results，and help to train the urgently needed design talents in manufacturing industry.

Keywords：TRIZ theory；Creative materialization；Causal chain analysis；Object field model；Design teaching reform

《制造業(yè)設計能力提升專項行動計劃（2019-2022年）》《中國制造2025》[1]等13個部委共同發(fā)布了一系列政策文件。這些文件明確提出改革我國制造業(yè)設計人才的培養(yǎng)模式，提倡“構思-設計-實現(xiàn)-運作”的工程教育模式，培養(yǎng)設計人才整合運用新材料、新技術、新工藝、新模式的能力，促進技術成果轉化，助力企業(yè)集成和原始創(chuàng)新[2]。

聚焦制造業(yè)，設計專業(yè)人才培養(yǎng)的目標是技術技能復合型創(chuàng)新型人才，這對設計人才的創(chuàng)新能力、工程實現(xiàn)能力與成果轉化能力提出了更高要求。但是，當前畢業(yè)生真正參與企業(yè)的創(chuàng)新研發(fā)項目較少，大部分設計人才培養(yǎng)過程中技術與工程知識與運用不足，導致設計畢業(yè)生僅成為企業(yè)的美工，普遍缺乏將創(chuàng)意落地、創(chuàng)意物化、設計創(chuàng)新成果轉化的能力，這成為設計人才培養(yǎng)的痛點與難點。

如何解決設計人才培養(yǎng)的痛點與難點，成為設計教育改革的重點研究方向。傳統(tǒng)的創(chuàng)新思維的方法比如5W2H法、逆向思維法、試錯法等[3]，可以幫助學生進行思維廣度的拓展，產(chǎn)生多個創(chuàng)意想法，但是這些方法缺乏創(chuàng)意實現(xiàn)的有效途徑，而TRIZ則成功地揭示了創(chuàng)新創(chuàng)造實現(xiàn)的原理與途徑，并將創(chuàng)新實現(xiàn)的過程轉換成發(fā)明求解的過程，彌補設計教學中創(chuàng)意天馬行空、落地難、技術實現(xiàn)難的現(xiàn)狀，為創(chuàng)意物化、產(chǎn)業(yè)化提供了有效的解決問題的方法。

發(fā)明家里奇·阿奇舒勒及其同事通過對全球250萬項專利的研究，形成了一種較為完備的“發(fā)明問題解決理論（TRIZ）”[4]。這套理論重在分析、解決問題，并形成了成熟的理論方法如：問題分析工具、問題求解工具、技術進化趨勢分析、創(chuàng)新思維訓練工具等，運用此理論，可以快速準確地解決問題，具有應用面廣，推廣價值高的特點，見圖1。

近年“TRIZ”創(chuàng)新方法的推廣應用主要集中在以下3個方面。

（一）運用TRIZ方法解決具體產(chǎn)品的創(chuàng)新設計

運用TRIZ方法解決具體產(chǎn)品的創(chuàng)新設計，如吸油煙機降噪創(chuàng)新設計、手持吸塵器設計，基于Triz理論的戴森產(chǎn)品線吸塵方案設計研究等，其中程好軍等[5]基于Triz理論的戴森產(chǎn)品線系列創(chuàng)新機制研究，基于TRIZ技術演化的理論，運用個案研究的方法，探討了產(chǎn)品技術創(chuàng)新的演化機理，同時從戴森的產(chǎn)品系列創(chuàng)新中發(fā)掘出Triz的理論價值。

（二）TRIZ 理論方法與設計創(chuàng)新方法融合研究

融合 TRIZ 理論方法與設計創(chuàng)新方法進行研究的案例很多，如石伍元等基于AD與TRIZ的病區(qū)巡護機器人功能集成設計[6]，以AD為流程框架，映射用戶域與功能域，運用TRIZ分析矛盾，最后結合最小信息公理優(yōu)選設計方案。如李德勝等多創(chuàng)新方法融合框架與模型的構建，以TRIZ理論為武器，六西格瑪、精益生產(chǎn)等技術手段相輔，結合不同的創(chuàng)新方法，整個工程中進行創(chuàng)造性地發(fā)現(xiàn)與解決[7]。

（三）TRIZ 理論方法在教學建設的應用

高校運用TRIZ理論在培訓平臺、課程教學、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，教學方法方面開展研究如余意平等關于基于TRIZ理論的設計創(chuàng)新服務平臺構建研究[8]；劉靖等也嘗試將在產(chǎn)品設計教學內(nèi)容中加入TRIZ理論，引導學生運用TRIZ理論中科學的創(chuàng)新方法，完善整個產(chǎn)品開發(fā)流程[9]。

總結以上，TRIZ 理論的研究方向與領域比較廣泛，但是目前TRIZ的理論研究大多用于具體產(chǎn)品研發(fā)的實踐，體現(xiàn)為個例的具體解決路徑，TRIZ理論的人才培訓體系融入不夠深入，不夠完善，推廣應用性較弱。

創(chuàng)意物化是將創(chuàng)意實物化、可視化與可檢驗化的一個過程。創(chuàng)意物化的目的是驗證創(chuàng)意、發(fā)現(xiàn)創(chuàng)意中存在的問題，進而優(yōu)化設計，為創(chuàng)意成果轉化提供了有力保障。創(chuàng)意“物”化中的“物”不局限于實物，也不局限于物的材料與形式，這里的物既可以是虛擬仿真的模型，也可以是具體的一個個可以觸摸的實物；物的材料既可以是發(fā)泡塑料，油泥、ABS、也可以是3D打印的材料。

創(chuàng)意物化對于設計專業(yè)的教師與學生來說，每一個課程項目，每一次設計比賽中都會面臨把想法變成現(xiàn)實的常態(tài)，但是遺憾的是，教學中的創(chuàng)意大部分都不能成為現(xiàn)實。因為將創(chuàng)意落地化，轉化為現(xiàn)實，是一項非常繁瑣的工作，實施的過程會出現(xiàn)許多意料之外的情況，甚至無數(shù)次推翻重來，此外，創(chuàng)意物化設計教學中也缺乏明確的實施流程與成果評價標準。

將TRIZ引入設計教育，有助于讓設計教育在TRIZ的引導下更卓有成效地發(fā)展與迭代[10]。TRIZ理論是一種新的問題解決方法[11]，運用TRIZ理論進行創(chuàng)意物化的設計教學改革遵循問題分析與問題求解的過程，首先，運用TRIZ理論的因果鏈分析找出創(chuàng)意物化系統(tǒng)中潛伏的關鍵問題，然后，運用TRIZ的物場分析模型，識別創(chuàng)意物化的關鍵問題所在區(qū)域的3個元素，確定3個元素的相互聯(lián)系及作用，根據(jù)三者之間的聯(lián)系構建基本的物—場模型，由物場模型所表現(xiàn)出的類型查找所對應的標準解系統(tǒng)，找到最優(yōu)解的物場模型[12]，最后，根據(jù)最優(yōu)解進行設計教學改革的實踐與成效驗證，見圖2。

（一）應用因果鏈分析創(chuàng)意物化設計教學改革的問題

因果鏈分析是現(xiàn)代TRIZ理論中一個重要的分析問題的工具，可以幫助我們進行深入的問題分析，找到潛伏在系統(tǒng)中的深層原因，建立起初始缺點與各個底層缺點的邏輯關系，找到更多解決問題的突破點。運用因果鏈分析方法進行創(chuàng)意物化的設計教學問題分析[13]，首先，找到3個起始缺點——創(chuàng)意物化實施困難、學生的技術工程能力不足以及現(xiàn)任教師的教學經(jīng)驗不足；然后，深入分析這3個起始缺點的二級缺點與三級缺點，進而找到創(chuàng)意物化設計教學系統(tǒng)中深層次的原因，見圖3。

依據(jù)創(chuàng)意物化的因果鏈分析模型，確立4個關鍵問題：

（1）現(xiàn)有的課程體系不足以實施創(chuàng)意物化。

（2）傳統(tǒng)的創(chuàng)意物化過程繁瑣、費時、費力、成本高。

（3）現(xiàn)有的教學模式不足以訓練學生的工程結構能力。

（4）現(xiàn)有的師資不足以幫助學生更好地實現(xiàn)創(chuàng)意物化。

（二）應用物場模型求解創(chuàng)意物化設計教學改革的關鍵問題

物場模型是某個功能的實現(xiàn)，需要有3個元素，即 S1，S2為兩個物質(zhì)，S1和S2的相互作用力為場F。有效完整的物場模型（直線標示）3個元素都存在且共同作用，達到期望值。不完整的模型（虛線標示）主要表現(xiàn)在缺物質(zhì)或者場，需要補齊所缺失的元素，使模型完整，見圖4。

關鍵問題1：現(xiàn)有的課程體系不足以實施創(chuàng)意物化，傳統(tǒng)的設計課程體系來源于包豪斯，主要包括設計基礎、設計技能（軟件）與產(chǎn)品設計系列課程，整套課程體系重在傳授設計美學、設計軟件運用、產(chǎn)品造型設計、產(chǎn)品創(chuàng)意設計，卻忽略了創(chuàng)意設計的可行性，導致創(chuàng)意只停留在想法層面。以S1（傳統(tǒng)課程體系），S2（創(chuàng)意物化），F(xiàn)1-教學場，建立的效應不足的物場模型，見圖5所示。

在傳統(tǒng)課程體系中引入S3-1（TRIZ進化趨勢分析工具）、S3-2（問題分析與求解工具）與S3-3（創(chuàng)意思維訓練工具）能夠有效地彌補傳統(tǒng)課程體系創(chuàng)意物化的教學內(nèi)容缺失的問題，如運用TRIZ進化趨勢的S曲線工具進行創(chuàng)意的可行性分析[14]，可以幫助學生進行創(chuàng)意的收斂與篩選，讓學生清晰地看到創(chuàng)意所運用的技術現(xiàn)狀，如果技術趨于成熟，則創(chuàng)意的可實現(xiàn)性較高，如果技術處于雛形，則創(chuàng)意可實現(xiàn)性弱。

關鍵問題2：傳統(tǒng)的創(chuàng)意物化過程繁瑣、費時、費力、成本高，傳統(tǒng)的創(chuàng)意物化實施過程，見圖6：首先，進行概念設計與三維設計，然后進行草模制作與測試、三維數(shù)據(jù)修改、功能模型制作與測試等，這個過程需要經(jīng)歷很多次的物理樣機，既需要學院投入大量的設備與場地，還需要教師花費很多的時間、精力，由此耗費巨大的人力物力，傳統(tǒng)的物化流程阻礙了創(chuàng)意物化的實施，以S4（傳統(tǒng)物化流程），S2（創(chuàng)意物化），F(xiàn)1（教學場），建立效應不足的物場模型，見圖7所示。

引入S5-1（虛擬樣機）與S5-2（3D打?。┬录夹g，可以完成無數(shù)次物理樣機無法進行的虛擬試驗，從而無須制造試驗物理樣機就可獲得最優(yōu)方案，同時運用3D打印技術進行快速物化，不但減少了物理樣機的數(shù)量，而且縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期、提高了產(chǎn)品質(zhì)量，讓學生完整地體驗創(chuàng)意物化的全過程。

關鍵問題3：現(xiàn)有的教學方法不足以訓練學生的技術工程能力，傳統(tǒng)的課程體系中設有材料工藝、人機工程、結構設計等相關課程，但課程授課方式以講授為主，課程結束后普遍出現(xiàn)的問題是知識與應用脫節(jié)，學生不知為何應用，如何應用？導致學生技術工程能力不足。如圖8所示以S6（傳統(tǒng)課程教學模式），S7（技術工程能力），F(xiàn)1（教學場），建立出效應不足的物場模型。應用TRIZ理論物場分析對關鍵問題3求解：引入新的教學資源與教學方法S8，運用實物樣品案例庫與虛擬實物案例庫（S8-1）進行實例講解，讓學生清晰地看到材料工藝的具體應用，運用項目驅(qū)動的教學法（S8-2），設計出材料與工藝的運用項目，讓學生親身體驗到材料工藝搭配、連接與支撐結構設計的合理運用，有利于提高學生的技術工程能力。

關鍵問題4：現(xiàn)有的師資不足以幫助學生更好地實現(xiàn)創(chuàng)意物化，現(xiàn)有設計學院師資注重高學歷，高職稱，且80%為設計學科畢業(yè)的師資，設計師資的教學內(nèi)容以設計學為主，但實現(xiàn)創(chuàng)意物化不僅需要設計學知識，更需要以材料工藝為支撐、結構設計為實現(xiàn)，以及豐富的設計實戰(zhàn)經(jīng)歷為經(jīng)驗。如圖9所示以S9（現(xiàn)有師資），S2（創(chuàng)意物化），F(xiàn)1（教學場），建立的效應不足的物場模型。應用TRIZ理論物-場分析對關鍵問題4求解：引入跨專業(yè)的材料、機械、模具師資（S10-1）與企業(yè)的一線師資（S10-2），有利于創(chuàng)意物化的教學實施，增強教學實施的可行性。

（三）優(yōu)化物場分析中的標準解，提供創(chuàng)意物化設計教學改革方向

針對創(chuàng)意物化過程中的4個關鍵問題運用物場分析得到標準解，找到現(xiàn)有的設計教學改革的方向。

（1）融合TRIZ理論課程，提高學生的創(chuàng)意可行性分析與問題的求解能力，為學生提供有利于創(chuàng)意物化的重要思路與工作方法；

（2）應用虛擬樣機與3D打印新技術的數(shù)字化物化流程，優(yōu)化創(chuàng)意物化的實施流程，提升設計教學的效率；

（3）建設材料、工藝、結構的實物樣品庫與虛擬仿真樣品庫，運用項目驅(qū)動的教學方法，提高學生的技術工程應用能力；

（4）構建跨專業(yè)的師資與跨領域的師資團隊，保障創(chuàng)意物化的設計教學實施，指導學生進行項目模擬與實戰(zhàn)訓練。

依據(jù)創(chuàng)意物化的設計教學改革方向，構建出創(chuàng)意物化的設計教學實踐方案，實踐方案設計出四階段“TRIZ+核心課程”訓練體系，貫穿設計專業(yè)4個學期的專業(yè)核心課程；應用數(shù)字化的創(chuàng)意物化設計流程進行教學實施，創(chuàng)建學生感興趣的“TRIZ+設計”資源案例平臺，建設海量的TRIZ案例資源平臺，組建“工作室式”的教學環(huán)境與跨專業(yè)的教學團隊，實現(xiàn)開放式、研討式教學，支撐四階段的“TRIZ+核心課程”計劃；設計精準的考核評價；實施“啟、教與學、做與悟、評、拓”五步項目驅(qū)動教學法，具體如圖10所示：

（一）嫁接創(chuàng)意概念與實現(xiàn)，實施“四階段”TRIZ課程培養(yǎng)計劃

以TRIZ理論為橋梁，嫁接創(chuàng)意概念與創(chuàng)意實現(xiàn)，打破課程群體各自為政，缺少過渡銜接的現(xiàn)狀，將TRIZ理論模塊知識穿插式地融入4個階段的項目課程中，實現(xiàn)四階段項目課程內(nèi)容難度遞進化，有效地培養(yǎng)學生的創(chuàng)意落地與工程實現(xiàn)能力。TRIZ理論主要運用于設計4個學期的核心課程——創(chuàng)意概念設計、產(chǎn)品結構設計、產(chǎn)品創(chuàng)新設計、畢業(yè)設計。具體，如圖11所示：

創(chuàng)意概念設計中融入的TRIZ方法是專利資料查詢與分析法、產(chǎn)品生命周期法則、創(chuàng)新方法的差別與比較等，通過TRIZ方法的融入，讓學生查閱并學習創(chuàng)意概念的實現(xiàn)案例，掌握產(chǎn)品的發(fā)展趨勢。

將TRIZ工具引入到了產(chǎn)品結構的設計中，從縱向技術系統(tǒng)發(fā)展的各種連接結構，到橫向技術系統(tǒng)應用的各類原理，再到結合TRIZ理論的物理模型應用上，讓學生在工程結構設計項目中應用實踐。

產(chǎn)品創(chuàng)新設計重在運用創(chuàng)新思維的啟發(fā)與實踐，通過最終理想解、九屏法、小人法等工具，啟發(fā)學生創(chuàng)新思維，尋找出具有創(chuàng)造性解決問題的方法。

畢業(yè)設計重在引導學生解決實際問題，通過校企合作，進行項目研發(fā)，形成設計成果方案，申請專利，并進行科研成果的轉化。

（二）建設“TRIZ+設計”教學資源

梳理“TRIZ+設計”的國外創(chuàng)新設計案例、企業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新研發(fā)案例、高校的優(yōu)秀創(chuàng)客案例等3個方向的資源，形成“TRIZ+設計”的海量數(shù)字資源平臺，支撐教學項目的實施。

基于TRIZ方法的應用實踐需求，建設“工作坊”式教學環(huán)境，基于開放式和互動式的工作坊，互換師生角色，構建開放、共享的教學氛圍與環(huán)境，強化課堂教學與實踐教學的融合，有利于TRIZ方法的實踐運用，增強學生創(chuàng)新意識和團隊精神，有效地拓展了創(chuàng)意思維，鍛煉工程實現(xiàn)能力。

組建跨專業(yè)的師資團隊，整合工程實現(xiàn)能力強的機械與模具專業(yè)師資形成“設計+機械+模具”的師資團隊，跨專業(yè)教學團隊共同指導學生完成校企合作項目的研發(fā)與創(chuàng)客項目的開發(fā)。

（三）運用數(shù)字化的創(chuàng)意物化流程，實施精準化考核評價

運用虛擬樣機與3D打印技術的數(shù)字化創(chuàng)意物化新流程，使用AHP層次分析法進行評價指標的系統(tǒng)分層，分層出創(chuàng)意思維、三維建模、虛擬測試、模型打印與成果轉化5類評價指標，設置5類指標的合理權重，并對5類指標進行層次細化，如創(chuàng)新思維的評價指標分層出廣度、新穎度與深度3個子指標，成果轉化的評價指標分層出專利轉化、競賽轉化與產(chǎn)業(yè)轉化3個子指標；并量化出每類細分指標分數(shù)見圖12。

（四）實施“啟、教與學、做與悟、評、拓”五步項目驅(qū)動教學法

在教學實施中，以典型案例為牽引，引導學生找到解決問題的方法，形成教師引導、學生思考的項目驅(qū)動教學法。

第一步“啟”，導入TRIZ案例，實行互動式，啟發(fā)式教學，小組研討案例，通過案例學習TRIZ理論，分析設計相關的TRIZ應用實例，激發(fā)學生學習TRIZ理論的主動性與積極性。

第二步“教與學”，實施項目驅(qū)動教學，在構思設計教學中強化融合TRIZ理論的設計創(chuàng)新，傳授學生39*39的矛盾矩陣、40個發(fā)明原理等標準化分析方法，讓學生以項目驅(qū)動為載體進行構思并提出解決方案[15]。

第三步“做與悟”進行產(chǎn)品設計與實現(xiàn)，進行結構設計與實物模型制作驗證，進一步發(fā)現(xiàn)問題，改進方案，進行產(chǎn)品優(yōu)化與迭代，體驗TRIZ方法應用的全流程，反思TRIZ理論的應用效果。

第四步“評”，在評價標準中打破單一評價模式，引入教師、學生、企業(yè)多元評價主體，進行作品交流分享，結合AHP層次分析法進行過程與成果評價的分層量化，獲得客觀、公正的評價，并實現(xiàn)小組團隊之間互相學習，促進團隊合作與交流。

第五步“拓”，將學生設計成果進行拓展運作，引導學生進行發(fā)明、實用等專利申報，參加各級各類創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，學科競賽，挑戰(zhàn)杯大賽等，拓展TRIZ方法應用的廣度與深度，讓學生深刻體會到TRIZ方法的價值，對培養(yǎng)創(chuàng)新能力大有幫助。

融入TRIZ理論的創(chuàng)意物化設計教學改革針對工業(yè)設計專業(yè)實施了三輪，效果顯著。

創(chuàng)意物化項目融合了“思維、方法、技術、材料、工藝、結構”知識模塊，將抽象的知識轉化為可感、可做、可實施的教學任務。學生在圖書館、創(chuàng)新中心、校企研發(fā)平臺等開放教學場所，開展項目研討、分享與合作，學生的專業(yè)綜合能力提升效果明顯。

通過項目驅(qū)動的教學實施，帶領學生從“創(chuàng)意、設計、仿真、實物”等不同的視角，進行復雜問題的分析與解決，提升了學生多維度創(chuàng)新思維，每年完成了創(chuàng)意物化實物100多件，并選取最精美的實物作品面向全校公開展示，提升了學生的創(chuàng)新能力。

運用創(chuàng)意物化的設計教學改革，近三年，師生授權發(fā)明專利10多項，實用新型專利100多項，校企研發(fā)項目成果轉化到款300 余萬，獲得高職高專挑戰(zhàn)杯創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽獲特等獎 1 項，一等獎 2 項，二等獎1項。

TRIZ融入創(chuàng)意物化的設計教學改革方案不僅可以幫助設計類院校培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維與工程實現(xiàn)能力，而且可以培養(yǎng)學生的持續(xù)創(chuàng)新能力，促進設計創(chuàng)新成果的轉化，助力解決制造業(yè)設計人才的培養(yǎng)。

基金項目：高職本科——設計專業(yè)教學標準研制（JXHYZX20201-53）；高職?？啤O計專業(yè)教學標準研制（JXHYZX20201-26）；2023年度高等學校國內(nèi)訪問工程師“校企合作項目”（綠色設計需求視角的AHP-TRIZ機電工具優(yōu)化設計研究）

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