TRIZ創新理論與學生創新能力培養—以CAD課程改革為例

周 琴，楊義勇，徐能雄

中國地質大學（北京）工程技術學院，北京 100083

計算機技術的快速發展對機械專業的基礎課程和專業課程的課程體系與內容等提出了一系列的要求，CAD、CAD/CAM、FEA等已成為提高學生設計能力必不可少的工具。CAD課程作為典型的機械專業課程，目前主要是以三維設計為主線，將三維建模的原理、方法和技能融入CAD課程所形成的教學體系、教學內容和教學方法[1]。為了在教學過程中充分調動學生的學習積極性和主動性，提高學生的創新能力和工程意識，探索適合于機械專業的CAD教學模式顯得十分重要[2]。

一、CAD課程體系及教學中的主要矛盾

我校的CAD課程是機械專業的專業基礎課，主要面向大學三年級學生開設，其教學目標是使學生通過對CAD基本理論和技能的學習，掌握三維設計方法和設計過程，其課程體系主要圍繞計算機三維設計軟件的學習和工程應用進行。

1.目前CAD課程體系的特點

我校CAD課程體系主要分為三個模塊：三維建模、虛擬裝配和工程應用。其中三維建模主要是基于特征和參數化設計進行建模方法和技能的學習；虛擬裝配主要是掌握裝配基準、裝配方法、干涉檢查等內容；工程應用主要以齒輪減速器設計為題進行三維設計，使學生初步掌握產品的設計過程。由于SolidWorks軟件是目前三維機械設計軟件的主流產品，可以實現三維造型到零件的虛擬裝配、結構設計到運動仿真、結構分析到運動分析等多種功能，因此CAD課程選擇SolidWorks軟件為教學平臺。

根據上述的課程體系和教學平臺，三個模塊的具體教學內容和要求存在一些差異，因此采用不同的教學方法。三維建模內容主要采用“講練”教學法，教師對不同類型的典型零件進行建模方法和步驟的講解，學生上機操作，使學生掌握三維零件設計方法；虛擬裝配主要采用“演示”教學法，教師模擬實際裝配過程，強調裝配初始的基準選擇、裝配技巧及裝配體特征等，使學生掌握零件的裝配方法和過程；工程應用主要采用“實例”教學法，以齒輪減速器為設計對象，學生獨立上機完成零件參數化建模、裝配體制作、工程圖生成等整個設計過程，使學生通過實踐了解“自底向上”的設計方法，提高學生綜合運用知識的能力，促進學生工程意識的培養[3]。

從上述的CAD的課程體系、教學內容和方法可以看出，該課程的學習不僅可以有效培養學生的三維設計能力，而且通過課程實踐，將學生所學的專業基礎課及部分專業課，如機械制圖、機械原理、機械設計、機械制造工藝學等課程進行了綜合運用，提高了學生的知識運用和學習能力的培養。

2.CAD課程教學中的主要矛盾

雖然CAD課程取得了一定的教學效果，也得到了學生的肯定，但在學生創新能力的培養及工程實踐能力的提高方面仍然存在一些不足，主要表現在：教學內容注重學生綜合運用所學知識能力的培養，學生的創新能力沒有得到充分的發揮；裝配圖采用“自底向上”的設計方法，影響學生的原理創新能力的發揮；實踐環節以減速器結構為主要設計內容，學生的自主創新性得不到體現；教學中工程實訓內容不足，學生的工程意識有待提高；創新理論和實踐內容不完善，學生的創新活動缺乏理論指導等。

CAD課程的這些主要問題和不足，在學生身上典型體現的是：當學生遇到工程實際中的設計和制造中的問題時，經常找不到有效的創新解決問題的思路和方法，這一點在學生畢業設計和開展具體工作時尤為明顯。這是因為在課程教學中，學生學會了應用知識解決“問題”，但是這些所謂的“問題”都是已經有解決方法和設計過程的，都是“老問題”，當出現真正意義上的“新問題”時，學生往往習慣性地用解決“老問題”的思路和方法去解決“新問題”，這時才發現他們所學知識能發揮的作用并不那么有效。

上述問題的出現，歸根結底體現了教學中的“教”與“學”及“學”與“用”等問題[4]，學生所學知識的具體性、有限性和創新解決實際問題能力培養之間的矛盾。CAD軟件雖然可以提供高效的設計工具和手段，但CAD軟件并不為學生提供創新解決問題的思路和方法。因此基于TRIZ創新理論改革CAD課程體系，將解決矛盾的思想集成在CAD的教學內容中，幫助學生在CAD系統中利用軟件的設計、分析和仿真等功能實現他們的創新設計能力[5]。

二、TRIZ創新理論

TRIZ創新理論的目的是研究人類在進行發明創造、解決技術難題過程中所遵循的科學原理、方法和規律，其核心是創造性問題的解決理論和方法[6]。其包括6個主要內容：創新思維方法與問題分析方法；技術系統進化法則；技術矛盾解決原理；創新問題標準解法；發明問題解決算法ARIZ；基于物理、化學、幾何學等工程學原理而構建的知識庫[7]。

基于TRIZ創新理論，按照技術進化原理，技術系統一直處于進化之中，解決矛盾是其進化的推動力。技術矛盾常表現為一個系統中兩個子系統之間的矛盾。這與教育領域的活動非常類似，教育過程中的“教”與“學”的矛盾體現了一個系統中兩個子系統之間的矛盾，這對矛盾的不斷解決推動了教育活動的進化。因此將TRIZ理論用于創新教育改革是可行的。

TRIZ創新教育理論的核心是應用TRIZ理論創新性地解決教育中的矛盾和問題。其主要內容包括40條創新原理，如分割原理、抽取原理、局部優化原理、不對稱性原理、組合原理、多用性原理、預操作原理、求逆原理、圓滑化原理、動態性原理、微作用原理、維數變化原理、交互原理等，這40條創新原理可以單獨使用，也可以將不同的原理組合使用，為我們提供創新解決方法的理論指導[8]。應用TRIZ創新教育理論解決教育問題體系（圖1），將教育過程中出現的沖突和矛盾轉化為TRIZ的標準問題，采用TRIZ工具得到標準問題的一般解（創新解），將此一般解用于指導教學改革及實踐，得到具有創新性的有效解決方案。

圖1 TRIZ創新教育解決問題體系

三、應用TRIZ理論解決CAD課程體系中的矛盾

由我校CAD課程體系的問題分析可以看出，教學中的各種矛盾最終轉化為“學”與“用”這一對矛盾上，是影響學生創新能力的根本問題之一。根據圖1的解決問題體系，初步擬定采用TRIZ創新教育理論中的分割原理、局部優化原理、不對稱性原理、組合原理等，得到一般問題的TRIZ創新解，應用于CAD課程體系及教學環節中，提出創新的解決方案（表1）。

表1 基于TRIZ理論的CAD課程體系矛盾解決方案

上述的矛盾解決方案，涉及CAD的課程體系、教學內容、教學方法、教學手段、實踐環節和考核方式等各個環節，將有效解決CAD教學中的矛盾和問題。

四、構建的CAD創新課程體系

為了提高學生創新能力和工程應用能力，在應用TRIZ理論解決CAD課程矛盾的基礎上，將產品的創新設計過程（圖2）引入到CAD課程體系中，這不僅可以有效提高學生的創新思維和創新能力，對培養學生的解決實際問題能力也是一個行之有效的方法。

大三的學生已經學習了機械專業的基礎課、專業基礎課和部分專業課，了解了產品設計的基本方法和工程，但創新性解決實際問題的方法和能力還需要訓練和培養。因此在CAD教學中以培養學生的創新思維和能力為目標，采用“實例”教學法、“啟發”教學法、“TRIZ創新理論”、“頭腦風暴法”等進行創新設計訓練，選取夾緊裝置作為設計對象，針對不同目標需求進行問題分析，對夾緊機構進行動力設計（機、電、液、磁、氣等）和機構設計（連桿、凸輪、曲柄、棘輪、槽輪、卡盤、彈簧、幾何形面等）等進行創新方案設計，完成設計并進行三維設計仿真及工程圖樣表達。根據CAD課程體系矛盾解決方案，這部分的教學以學生分組、教師指導的形式，集中授課和工程訓練結合，將創新設計和工程實踐有機結合，使學生掌握產品的創新設計過程并用于實踐，提高學生的自主創新和工程設計能力。

圖2 產品的創新設計過程

在TRIZ教育理論指導下，構建了基于創新設計目標的CAD課程體系（圖3），該創新課程體系集成了軟件工具和創新設計方法，充分發揮學生的自主創新能力，利用電腦的交互支持功能支持和幫助學生呈現其“創造性”，推動學生的創造力,提高設計效率和效果，很好地提升了學生的組織能力、進行科學討論的溝通技巧、精確論證的表達能力等[9]。由此看出，將創新能力培養集成在CAD的教學內容、教學方法和各教學環節中，并貫穿于學生的基礎訓練、創新設計及工程應用的全過程，對學生創新能力的培養有著積極重要的作用。

圖3 CAD創新課程體系

五、結論

TRIZ理論為技術創新提供了一整套系統化的解決問題理論、方法工具和解決方案模型，也為創新教育奠定了方法論的基礎[10]，TRIZ創新教育理論已經越來越多地被應用于教學改革和實踐中。實踐證明，這不僅可以提高學生的綜合技能，還鍛煉了學生綜合運用創新解決問題的能力，較好地解決了“學”和“用”之間的矛盾以及教學和實踐的矛盾，為學生創新能力的培養提供了科學的理論指導。

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