測控技術與儀器專業“創新設計”課程設計與實踐

張 鵬, 習道政, 董婭凡, 檀潤華

(1. 河北工業大學 機械工程學院測控系, 天津 300130；2. 國家技術創新方法與實施工具工程技術研究中心, 天津 300130)

測控技術與儀器專業“創新設計”課程設計與實踐

張 鵬1,2, 習道政1,2, 董婭凡1,2, 檀潤華1,2

(1. 河北工業大學 機械工程學院測控系, 天津 300130；2. 國家技術創新方法與實施工具工程技術研究中心, 天津 300130)

在測控技術與儀器專業開設TRIZ理論為主的“創新設計”課程,分析該課程與其他專業課程之間的銜接,提出了以“創新設計”課程為主線、大學生科研訓練項目為載體、結合專業方向課程設計、立足畢業設計的一系列適合于測控技術與儀器專業課程教學設計與實踐過程,并以近幾年的實踐情況驗證該方法的科學性和有效性。

創新設計； TRIZ理論; 大學生科研訓練計劃； 測控技術與儀器

測控技術與儀器專業是研究信息的獲取和處理,以及對相關要素進行控制的理論與技術的專業。測控專業本科生應掌握測控儀器設計的一般過程、方法、原則和原理,并將其應用于實際設計。為了系統培養本科生創新思維能力,專門開設了以TRIZ理論(發明問題解決理論)為核心的“創新設計”課程。該課程是以講授TRIZ理論為主,該課程可以系統地提高學生創新意識和創新能力。創新設計課程系統講授產品設計過程中發現問題、分析問題和創造性解決問題的系統化方法。課程的任務是使學生初步具有應用TRIZ理論發現問題、分析問題和解決問題的能力。由于“創新設計”課程以TRIZ理論為核心是一種自成體系的課程,通過教學設計使“創新設計”課程與測控其他專業課結合,并共同促進測控技術與儀器專業學生進行創新儀器設計。本文以大學生科研訓練項目為載體,結合專業方向課程設計,立足畢業設計,在經典儀器設計理論與方法的基礎上,將TRIZ理論引入儀器設計全過程,實現面向創新設計的測控儀器設計過程。

1 測控技術與儀器專業與“創新設計”課程

從21世紀開始,隨著TRIZ理論[1]在世界范圍內快速擴散,企業對TRIZ理論的巨大需求,帶動了國內外高校對TRIZ理論的研究與推廣。前蘇聯時期,TRIZ理論一直被作為大學專業技術必修科目,西北歐、美國、我國臺灣地區一些大學將TRIZ理論列為高校本科生和研究生的必修課。目前俄羅斯共青城國立工業大學已將其列為各專業必修的科目。

河北工業大學是國內最早開展TRIZ理論相關研究的單位之一,也是國內最早開設以TRIZ理論為核心內容的課程的高校之一。目前,河北工業大學的創新設計課程包括機械學院創新設計課程、校級選修課、機械類研究生學位課、全校研究生選修課和博士學位課等。當前國內外開設的TRIZ理論課程多集中于機械專業[2-3],將TRIZ理論課程融入測控儀器設計課程未見研究報道。根據測控技術與儀器專業的具體情況[4-7],將大學生科研訓練項目引入到測控專業課和創新設計課程中,從大學生科研訓練[8]項目中使學生學會專利下載與分析、技術預測、測控儀器功能分析及原理解獲取、遵循測控儀器設計原理與原則的總體設計、后續傳感器選擇、測控電路設計、單片機設計等。這樣不但可以提高學生動手能力還可以對其創新思維能力進行系統訓練[9-12]。

目前測控技術與儀器專業課程主要采用課堂講授和實驗相結合的方式進行。學生通過課程掌握的測控儀器設計的一般過程、方法、原則和原理多停留在理論層面,運用所學知識解決實際問題的能力尚需提高。“創新設計”課程是以國際上著名的創新設計理論TRIZ為基礎,系統講授產品設計中發現問題、分析問題和創造性解決問題的系統化方法。通過本課程的學習可以提高學生創新意識和能力,增強學生對產品設計和開發工作的適應性。

本科課程為提高本科生實際動手能力,設置了專業方向課程設計、生產實習和畢業設計等環節。另外,本科生也通過參加科研訓練計劃和各種設計比賽提升其實際動手能力,并取得了一定的效果。

將“創新設計”課程中傳授的先進的設計理念與儀器設計實際相結合,通過大學生科研訓練計劃項目在鍛煉學生創新思維能力的同時提升其實際儀器設計能力,使兩者得到充分的鍛煉。

2 在測控技術與儀器專業本科教學中設置“創新設計”課程

“創新設計”課程在測控技術與儀器專業本科教學實踐過程中,將TRIZ理論有效融入到測控儀器設計過程,將大學生科研訓練項目引入課堂,使創新訓練項目貫穿于創新設計課程始終,以大學生科研訓練項目為載體,通過專利分析、技術預測及其他創新工具幫助學生開拓思路,培養其創新思維能力；對于確定的方案進行測控儀器總體設計和詳細設計,并將這些設計內容以科研訓練計劃、專業方向課程設計和畢業設計的形式開展,全面鍛煉本科生動手能力,對本專業的教學工作有重要推動作用。搭建測控儀器設計實習、實踐平臺,引導本科生在參加創新訓練項目以及參加各種大學生創新設計大賽中應用創新設計和測控儀器設計相關知識,鼓勵學生進行大學生科研立項。通過課堂教學和實踐訓練,潛移默化地培養學生形成創新思維方式,通過全程參與創新訓練項目提升學生動手實踐能力。

“創新設計”課程在測控技術與儀器專業本科教學的實踐過程,項目參與主體是參加大學生科研訓練項目的本科生,分7步實施整個過程:大學生科研訓練項目選題、專利分析與技術預測、專利規避設計、測控儀器總體設計、詳細設計、樣機制造及項目總結。這個實施過程由指導教師與參加科研訓練計劃的本科學生共同完成,實施過程中還用到專利分析軟件、計算機輔助創新軟件及測控專業其他軟件。

(1) 科研訓練計劃選題。采用指導教師命題和學生自主選題相結合的方式初步選取課題,應用于“創新設計”課程中,從IFR、技術成熟度、發明等級、發明問題定義等方面入手,選取其中符合測控專業并且具有創新潛力的課題。

(2) 專利分析與技術預測。運用“創新設計”課程中技術進化模式和進化路線對所選課題進行技術預測,結合技術預測的結果在國家知識產權局網站、大維專利分析軟件或智慧牙專利分析軟件等多平臺進行專利查詢與分析,選定目標專利和初步方案。

(3) 專利規避設計。結合初步方案和目標專利,通過功能模型、效應等TRIZ工具對其進行專利規避設計,確定科研訓練項目草案。

(4) 測控儀器總體設計(概念設計)。運用沖突解決理論、物質場標準解等TRIZ工具解決項目草案中存在的發明問題后,應用“傳感器與檢測技術”“工程光學”“精密機械工程”和“測控儀器設計”等專業課程知識完成項目總體設計。

(5) 測控儀器詳細設計。運用其他專業課程進行項目詳細設計,若設計過程中發現新的問題,則繼續使用TRIZ理論解決其中的問題,最終完成課題的結構設計、硬件設計和軟件設計等。

(6) 測控儀器樣機制造。進行樣機結構制造,硬件搭建及軟件調試。

(7) 項目總結。項目結題報告撰寫,進行專利申報,準備參加適合的大學生科技競賽,如全國大學生TRIZ杯創新設計大賽、全國大學生機械創新設計大賽等各種競賽。

應用“創新設計”課程在測控技術與儀器專業本科教學實踐過程中,由于不同的大學生科研訓練項目完成情況不同,對學生的鍛煉程度也存在差異,如表1所示。通過上述訓練過程不但可以鍛煉學生的創新思維能力和實踐動手能力,對于學生參加各類設計比賽和提升學生畢業設計能力都有很大益處,對于一些創新性強的訓練項目還可以取得相應的專利成果。

表1 項目實施水平差異與可能取得成果對應表

3 應用案例

為了有效實施“創新設計”課程在測控技術與儀器專業本科教學的實踐,將“在線紙張測厚問題”引入到“創新設計”課程中。

3.1 科研訓練計劃選題

“在線紙張測厚問題”源于某企業的實際工程問題,是典型的測控儀器類課題。該問題為成品紙張按照厚度分選問題的前端測量問題,目前存在測量精度低、儀器成本高等問題,屬于典型的發明問題。如果能夠得到更好的解決方案將取得技術上的突破,屬于符合測控專業并且具有創新潛力的課題。在確定課題后,由學生自愿組成興趣小組開展后續專利檢索和技術預測工作。

3.2 專利分析與技術預測

經過應用國家知識產權局網站、大維專利分析軟件或智慧牙專利分析軟件等多平臺專利檢索發現,紙張測厚專利原理主要是稱重法、射線法、電容法和電渦流法等,但是上述方法均存在成本高或精度低等問題,無法解決在線紙張測厚問題。通過TRIZ理論的技術預測,認為開發一種新原理生成一條新s曲線替代原有s曲線是十分必要的。通過技術進化模式和進化路線分析發現,當前原理已經進化到“場”狀態,需要一種精度適當、價格低廉的新“場”測量方式替代原有的測量原理。由于“光學場”成本較高不符合設計要求,所以選擇“聲場”作為新測量原理進行后續專利規避設計。

3.3 專利規避設計

在選定“聲場”作為新測量原理后,檢索了超聲波相關專利。超聲波相關專利主要是超聲波流量檢測、超聲波距離檢測、超聲波液位檢測和超聲波油漆厚度測量等相關方面專利,未見超聲波原理紙厚測量專利。以超聲波距離測量專利為目標專利開展專利規避設計,通過應用功能裁剪等TRIZ工具,得到超聲波紙厚裝置功能模型,確定超聲波紙厚裝置項目草案。

3.4 測控儀器總體設計(概念設計)

根據超聲波紙厚測量裝置功能模型進行后續概念設計發現,系統里存在典型物理沖突,為了測試精度高,需要使用液體超聲(液體超聲頻率高精度高),結果會導致液體污染紙張；同樣,為了不污染紙張,需要選用氣體超聲(氣體超聲頻率低),結果造成測試精度低。因此,設計超聲波紙厚測量裝置時,希望超聲波的頻率高低適中。考慮到液體與紙張在空間上進行分離可以防止液體對紙張的破壞,因此該沖突可以在空間上進行分離。

選用4條分離原理當中的空間分離原理。可以利用的發明原理包括:NO.1分割、NO.2分離、NO.3局部質量、NO.4不對稱、NO.7套裝、NO.13反向 、NO.17維數變化、NO.24中介物、NO.26 復制、NO.30柔性殼體。根據可用的發明原理得到如下解決方案:

方案一:根據NO.2分離原理和NO.24中介物原理得到如下解決方案:將測量紙張與液體分離,將探頭放在液體當中,利用中介物(測量端面)與紙張接觸。

方案二:根據NO.2分離原理和NO.7套裝原理得到如下解決方案:將探頭放在液體當中,同時接收探頭與罐體相連接,液體套裝在罐體當中,罐體與紙張接觸。

整個TRIZ求解過程中還運用了九屏幕法、資源分析、技術沖突、物質場和標準解等工具,并形成很多個方案,限于篇幅的限制不再一一贅述。

在系統中的發明問題全部解決后,應用“傳感器與檢測技術”“工程光學”“精密機械工程”和“測控儀器設計”等專業課程知識完成項目總體設計。

3.5 測控儀器詳細設計

完成了超聲波紙厚測量裝置結構設計,硬件設計和軟件設計等。

3.6 測控儀器樣機制造

完成了超聲波紙厚測量裝置樣機結構制造,硬件搭建及軟件調試。

3.7 項目總結

超聲波紙厚測量裝置已獲得校級大學生科研訓練計劃項目資助并已完成結題,通過TRIZ解題得到的方案,已申請發明專利4項并授權實用新型專利2項。其中申請發明專利分別為:一種超聲波紙張測厚裝置(201410140492.4)；一種超聲波紙張厚度測量裝置(201410232558.2)；一種臥式超聲波紙張測厚裝置(201410232618.0)；一種立式超聲波紙張測厚裝置(201410139265.X)。授權實用新型專利分別為:一種超聲波紙張測厚裝置(ZL201420167095.1)和一種立式超聲波紙張測厚裝置(ZL201420167791.2)。其中,發明專利“一種超聲波紙張測厚裝置(201410140492.4)”將于近期正式授權,其他發明專利還在審核過程中。另外,超聲波紙厚測量項目近期參加了某全國大學生創新設計比賽,在校內選拔賽中獲得了二等獎,順利代表學校參加比賽。

超聲波紙厚測量項目只是近幾年教學改革實踐項目中的一個,目前以大學生科研訓練計劃為載體,“創新設計”課程已經有效與測控技術與儀器專業相結合。項目實踐期間,“超聲波紙厚測量”“片形合金成分辨識及自動分選控制系統設計”“硬幣分選控制系統設計”“面面粥道粥品智能配料系統”和“公交車智能硬幣分選系統設計”等項目分別獲得了國家級大學生創新創業科研訓練計劃資助2項、省級大學生創新創業科研訓練計劃資助3項和校級大學生創新創業科研訓練計劃資助多項。已申請發明專利6項,獲得實用新型專利2項,申請實用新型2項。參加各類大學生創新設計比賽,獲得全國TRIZ創新設計一等獎1項、二等獎2項、三等獎多項；獲得河北省機械創新大賽一等獎2項、三等獎2項；獲得天津市合泰杯單片機比賽三等獎1項；獲得校級優秀畢業設計多項。

在實施“創新設計”課程在測控技術與儀器專業本科教學實踐過程中,將“創新設計”課程有效地融入到測控技術與儀器專業,而非傳統的機械專業。通過帶領本科學生對一些典型的測控儀器課題進行TRIZ求解,得到了大量具有創新性的方案,在獲得國家級、省級和校級大學生科研訓練計劃資助的同時,申請了一批發明專利和實用新型專利。對參與其中的本科學生,在鍛煉他們的創新思維能力的同時,也鍛煉了他們結構設計、硬件設計與調試、軟件編程等實際動手能力。

4 結語

測控技術與儀器專業作為研究信息獲取和處理的非機械專業,通過開設以TRIZ為核心的“創新設計”課程,并將“創新設計”課程與測控專業課程體系有效融合。在測控專業課程學時有限的前提下,充分利用學生課余時間,以科研訓練計劃為載體,輔以專業方向課程設計和畢業設計為實踐形式,形成了一整套以創新設計為特色的測控技術與儀器專業創新思維與動手能力訓練體系,并取得了良好的效果。

References)

[1] 檀潤華.TRIZ及應用技術創新過程與方法[M].北京:高等教育出版社,2010.

[2] 付敏,范德林.基于TRIZ理論的高校創新教育研究與實踐[J].黑龍江高教研究,2013(7):104-106.

[3] 任重昕,蘇永濤.基于TRIZ理論的大學生創新能力培養[J].黑龍江高教研究,2012(8):130-131.

[4] 李雅峰,隋修武.面向紡織工程的測控專業人才培養模式的探索[J].大學教育, 2013(17):77-78.

[5] 張文娜,熊飛麗,葉湘濱,等.測控技術與儀器專業課程體系整體優化研究[J].高等教育研究學報,2008,31(2):33-35.

[6] 宋愛國,況迎輝.測控技術與儀器本科專業人才培養體系探索[J].高等工程教育研究, 2005(1):48-51.

[7] 時銘顯.高等工程教育必須回歸工程和實踐[J].中國高等教育,2002(22):16-18.

[8] 錢小明,榮華偉,錢靜珠.基于導師制下“大學生創新創業訓練計劃”教育的實踐與思考[J].實驗技術與管理,2014,31(7):21-24.

[9] 張勇,劉軍山,黃啟來.實驗教學模式創新與課堂教學設計[J].實驗技術與管理,2010,27(6):15-17.

[10] 馬麗霞，屈曉陽，顧勇飛.創新型實驗教學體系的構建[J].中國大學教學,2010(10):67-69.

[11] 劉召順.通過科研活動培養大學生創新思維[J].中國高校科技,2016(7):58-59.

[12] 高洪旺.開放實驗項目與學員應用創新能力的培養[J].武警學院學報,2012(1):79-80.

Design and practice of Innovative Design course in undergraduate teaching of Measurement and Control Technology and Instrument specialty

Zhang Peng1,2, Xi Daozheng1,2, Dong Yafan1,2, Tan Runhua1,2

(1. Department of measurement and control,School of Mechanical Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300130, China; 2. National Technological Innovation Method and Tool Engineering Research Center,Tianjin 300130, China)

In Innovative Design course with TRIZ theory in the Measurement and Control Technology and Instrument specialty, this paper analyses the connection between the course and other professional courses. A series of course teaching design and practice process are put forward, including scientific research training program for college students, professional orientation course design and graduation design, which is suitable for the specialty of Measurement and Control Technology and Instrument. It is proved that the method is scientific and effective based on the practice in recent years.

innovative design； TRIZ theory; scientific research training program for college students； measurement and control technology and instrument

10.16791/j.cnki.sjg.2017.02.044

2016-08-08

科技部基礎工作專項“大學生創新創業方法訓練體系構建與應用示范”(2015IM040200)；國家自然科學基金項目(51305123)；河北工業大學教改項目“創新訓練項目驅動的測控儀器設計與創新設計課程教學改革與實踐”

張鵬(1979—),男,天津,工學博士,副教授,研究方向為復雜工業儀器與復雜機電系統創新設計

習道政(1993—),男,河南三門峽,碩士研究生.

E-mail：zhangpeng@hebut.edu.cn

G642.0

B

1002-4956(2017)2-0170-04