推廣“技術創新方法”（ＴＲＩＺ理論），提高學生的創新能力

文章編號：1672-5913(2008)08-0118-03

摘要：本文通過對計算機組成技術發展過程中創新成果的分析，探討了“技術創新方法”對學生創新思維培養的重要意義。

關鍵詞：技術創新方法；計算機硬件實驗；計算機組成技術；創新

中圖分類號：G642

文獻標識碼：B

前蘇聯發明家阿奇舒勒(G.S.Altshuller)是一個傳奇式的人物，他在14歲時就獲得了首個專利證書。從1946年開始，阿奇舒勒對世界各國250萬份高水平發明專利進行了系統地分析，總結出人類進行發明創造解決技術問題過程所遵循的40個原理和法則，建立了一個由解決技術問題，實現創新開發的各種方法、算法組成的具有完整理論體系的創新方法，即“TRIZ理論”(TRIZ是Theory of Inventive Problem Solving的縮寫)。國內的正式名稱為“技術創新方法”。

阿奇舒勒將問題分為常規問題與發明問題。所謂問題，就是技術系統的初始狀態與理想狀態之間存在距離。解決問題的過程就是使技術系統的初始狀態通過一個步驟或多個步驟的變換實現或接近理想狀態的過程。如果實現變換的所有步驟都已知，則要解決的問題屬常規問題；若至少有一個步驟未知，則該問題屬發明問題。“TRIZ理論”關注的是解決發明問題。

“TRIZ理論”引入我國只是近幾年的事，但已經逐漸得到國內諸多科研結構、公司和專家的重視。國家科技部于2007年8月13日下發文件(國科發財字[2007]479號)批準黑龍江省、四川省為“技術創新方法試點省”。

實現自主創新，關鍵在人才。培養造就大批高素質的具有蓬勃創新精神的人才是高等教育的一個重要目標。因此，推廣“技術創新方法”高等院校責無旁貸。

1“TRIZ理論”的基本概念和基本觀點

“TRIZ理論”認為：問題來源于矛盾。解決矛盾有兩個方法：一是在沖突參數間尋找折衷方案，二是消除矛盾。“TRIZ理論”就是通過消除矛盾來解決問題。

“TRIZ理論”的基本概念有兩個：技術矛盾和物理矛盾。所謂技術矛盾，是指在一個技術系統中，當一個參數被優化時，另一個參數就變差，例如計算機中微處理器的工作頻率提高(處理速度加快)，但產生的熱量增多。物理矛盾則是指同一個參數的兩個互相對立的特性，如溫度的冷與熱，幾何尺寸的長與短，計算機指令格式是定長的與非定長的。

運用“TRIZ理論”進行發明/創新的關鍵就是找出矛盾，并分析矛盾是技術矛盾還是物理矛盾，然后利用不同的TRIZ工具，通過類比思考的方式，找到解決矛盾的思考方向，技術進化的過程就是不斷解決存在矛盾的過程。

通常一個矛盾將被分解為若干層次的子矛盾，然后再自底向上地解決這些子矛盾。在對矛盾進一步分析的基礎上，“TRIZ理論”提出了四個基本觀點：(1)較好的技術系統應是在構造和使用維護中消耗資源較少，而能完成同樣功能的系統，這是“TRIZ理論”追求的理想目標。(2)在沖突的解決中采用縮小的方法，致力于在系統不變甚至簡化的基礎上消除系統缺點，完成改進。(3)發明是系統矛盾的解決過程，要避免改進系統的某一部分屬性時，使其他某些屬性惡化。(4)物理矛盾是“TRIZ理論”需要研究解決的關鍵矛盾。

對于第一個觀點，TRIZ的一個基本觀點是“系統是朝著不斷增加的理想狀態進化的”。技術系統理想狀態包括3個方面內容：①系統的主要目的是提供一定功能。傳統思想認為，為了實現系統的某種功能，必須建立相應的裝置或設備；而TRIZ則認為，為了實現系統的某種功能不必引入新的裝置和設備，而只需對實現該功能的方法和手段進行調整和優化。②任何系統都是朝著理想化方向發展的，也就是向著更可靠、簡單有效的方向發展。系統的理想狀態一般是不存在的，但當系統越接近理想狀態，結構就越簡單、成本就越低、效率就越高。③理想化意味著系統或子系統中現有資源的最優利用。

阿奇舒勒將他研究過的20萬個發明專利所涉及的發明問題分成五個級別：

第一級“具有明確的解”：利用已知方法繼續發展現有技術系統(例如：增加壁的厚度以提高強度)。這個級別的專利占總數的32%。嚴格來說，這些專利不算發明。

第二級“對現有技術系統的少量改進”：這種改進往往是妥協的折衷解決方案(例如：可調整傾斜角度的方向盤)。這個級別的專利占總數的45%。

第三級“根本性的改進”：運用現有技術實現現有技術系統的重大改進(例如：用鼠標來操作計算機)。這個級別的專利占總數的18%。

第四級“全新的概念”：運用新的技術產生新的一代技術系統(例如：內燃機車取代蒸汽機車，集成電路取代分立的晶體管)。這個級別的專利占總數的4%。

第五級“基礎性的發現”：發現新的自然現象(例如：發現X光射線、激光、青霉素、DNA、超導材料等)。這個級別的專利占總數的1%。

阿奇舒勒認為：目前77%的專利屬于一級和二級發明。“TRIZ理論”作為可普遍運用的原理和可定義的思維模式，幫助發明者將發明提高到三級和四級的水平。

2TRIZ工具體系

通過對大量發明專利的研究，阿奇舒勒提出了有關發明創造的基本規律。首先，不同領域的發明涉及的理論大部分是被反復利用的；其次，發明的原理和方法往往是融合了各個工程領域的內容；第三，類似的矛盾與解決原理在不同工業及科學領域交替出現；第四，技術系統進化模式在不同科學領域交替出現。

因此，阿奇舒勒設計了一套工具來解決發明問題，具有很強的可操作性。經典的TRIZ工具是：40個發明創造所遵循的原理，表述系統性能的39個通用參數，物—場分析法及發明問題的76個標準解法，解決物理矛盾的4大分離原則和11種分離方法等。其中40個發明創造所遵循的原理，是解決技術矛盾的關鍵。

3教學中推廣“技術創新方法”

“計算機組成技術”課程為非計算機專業的本科學生開設的一門重要的技術基礎課，教學內容主要包括計算機的產生和發展、計算機的基本結構與工作原理、計算機中信息的表示與運算、存儲器與存儲系統、輸入輸出技術與外部設備、匯編語言程序設計等。

“TRIZ理論”是一種建立在技術系統進化規律基礎上的問題解決系統，同時也是一個創新能力培養體系理論。在以往的教學工作中，我們比較重視強調專業知識的傳授，而缺少科學思維、科學方法方面的引導和訓練。因此，在“計算機組成技術”課程中推廣“TRIZ理論”，對提高學生的創新能力有著重要的意義。

3.1在課堂內，通過對創新知識點的分析，推廣“TRIZ理論”

在教學過程中，每講完一個知識點，就考慮采用TRIZ理論中40個發明創造原則中的一個來啟發學生思考該知識點從問題提出到有效解決的過程，激發他們的聯想思維、想象思維、靈感思維，進而提高學生的創新能力。

“計算機組成技術”中最重要的知識點就是“Von Neumann計算機”的基本結構，這個結構是由著名科學家Von Neumann在1946年6月發表了一篇旨在構建一臺通用計算機的技術報告“關于電子計算裝置邏輯結構初探”。這份報告提出了以存儲程序來進行控制的電子計算裝置EDVAC的設計方案(如圖1所示)。

這個方案提出的“存儲程序”的思想是指：計算機的用途(程序/軟件)和硬件完全分離。硬件結構采用固定性邏輯，其功能是固定不變的。通過編制不同功能的程序(軟件)來滿足不同用戶對計算機的應用需求。依照這個設計方案設計實現的電子計算機后來被稱為“Von Neumann計算機”。時至今日，在市場上能看到的電子計算機幾乎都是“Von Neumann計算機”。“Von Neumann計算機”的特點是：

(1) 計算機由存儲器、控制器、運算器、輸入設備和輸出設備等五個部件組成。

(2) 存儲器是由一組一維排列、線性編址的存儲單元組成，按照地址來訪問存儲單元。

(3) 指令由操作碼和地址碼兩部分組成，操作碼規定了指令的操作類型，地址碼指示操作數在存儲單元中的地址。

(4) 程序(指令)與數據是同等地不加區分地存儲在同一個存儲器中。

(5) 指令在存儲器中按順序存放。計算機逐條、順序地執行指令。

(6) 指令和數據均以二進制數來表示。

綜上所述，“Von Neumann計算機”最光輝的思想是“存儲程序”，最突出的特點是把計算機分成存儲器、控制器、運算器、輸入設備和輸出設備等五個部件。

圖1 Von Neumann計算機結構

從思想看，“存儲程序”的核心就是將計算機的功能分成兩部分：基礎功能和用戶特需功能。基礎功能是獨立于具體應用的，或者說是與用戶無關的，由機器(硬件)來提供；用戶特需功能是與用戶有關的，不同的用戶可能需要不同的功能，由程序(軟件)來完成。

從結構看，早期的計算機中，實現不同功能的器件是混在一起的。到了“Von Neumann計算機”，計算機的基礎功能被進一步分成：運算功能、存儲功能、輸入功能和輸出功能。實現這些功能的器件被分別劃分成存儲器、控制器、運算器、輸入設備和輸出設備等五部分。

由此可見，“Von Neumann計算機”的提出正好應驗了TRIZ理論中40個發明創造原則中的第1個原則“分割原則”：(a)將物體分成獨立的部分；(b)使物體成為可拆卸的；(c)增加物體的分割程度。

“Von Neumann計算機”的設計方案對后來電子計算機的設計產生了深遠的影響。時至今日，絕大多數計算機都屬于“Von Neumann計算機”，可見“Von Neumann計算機”的創新價值。

又如，在介紹完計算機的存儲體系后，可以利用第3個原則“局部性質原則”(a．從物體或外部介質(外部作用)的一致結構過渡到不一致結構；b．物體的不同部分應當具有不同的功能；c．物體的每一部分均應具備最適于它工作的條件。)來分析計算機的存儲系統。

對于計算機存儲系統，它面臨的問題是訪問速度快的存儲器價格昂貴且容量較小；而容量大的存儲器價格雖然便宜，但是訪問速度太慢。它的設計目標是存儲系統應該能夠以很高的速度向微處理器提供數據，而且存儲系統的總體價格適中。為此，人們提出了高速緩存—主存儲器的層次結構：在靠近微處理器的地方設置速度快的存儲器(即高速緩存)，盡管它的容量較小。在高速緩存的外圍設置容量大的存儲器(例即主存儲器)，盡管它的訪問速度慢。高速緩存的價格比主存儲器要便宜得多。

進一步利用這個原則，在微處理器內部還可以設置速度更快的存儲單元——寄存器組，盡管它的容量要比高速緩存小兩個數量級，而且價格是最貴的，但是它的速度比高速緩存快一個數量級。在主存儲器之外，還設置了容量更大的輔助存儲器。輔助存儲器的速度是最慢的，但是價格也是最便宜的。

這樣，把存儲系統設計成：寄存器—高速緩存—主存儲器—輔助存儲器結構，就實現存儲系統的設計目標。

再比如，計算機上不同的插頭要插入不同的插座。為了避免發生錯誤。同一對插頭和插座用同樣的顏色，不同的插頭—插座對用不同的顏色。這就很好地體現了第32個原則“改變顏色原則”(a．改變物體或外部介質的顏色；b．改變物體或外部介質的透明度；c．為了觀察難以看到的物體或過程，利用染色添加劑；d．如果已采用了這種添加劑，則采用熒光粉。)

3.2在課堂外，通過創新實踐培養學生的創新能力

為了培養學生的創新能力，哈爾濱工業大學計算機科學與技術學院在計算機硬件教研室和計算機硬件實驗中心的基礎上于2008年2月成立了計算機硬件創新實驗室，構建第二課堂，鼓勵學生參與創新活動。

計算機硬件創新實驗室有專門的實驗場地和設備，眾多計算機實驗設備廠商也贊助了它們最新的實驗設備。計算機硬件教研室和計算機硬件實驗中心選派經驗豐富的教師成立了指導教師隊伍。積極支持學生參加各級挑戰杯的競賽活動。在創新實踐中培養學生的創新能力。

4結束語

創新理論和創新實踐都證明，創新能力是人的一種潛能，是人人都具有的一種能力，而且這種能力可以經過一定的學習和訓練得到激發和提升。事實證明創新和其他活動一樣，也具有自身一套內在的規律和方法。熟知和掌握這些創新規律與原理知識對于提升我們的創新水平和效率都具有重要的價值。

因此，在強調創新人才培養、注重提高創新能力的今天，在教育體系和人才培養體系中推廣TRIZ理論，有著極其重要的意義。

參考文獻

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[3] 趙新軍. 技術創新理論(TRIZ)及應用[M]. 北京:化學工業出版社，2004.