基于TRIZ的大學物理創新性實驗教學模式探索

摘 要：將TRIZ引入大學物理創新性實驗環節，選擇專利文獻中相關物理效應的典型應用為實驗項目，在教學內容上圍繞物理效應的應用展開；在教學組織上構建基于開源技術創新社區網絡的學習實踐共同體；在教學方法上提倡共同體成員協商、對話解決問題；在具體教學過程的設計上，引導學生應用TRIZ理論、方法對相關專利進行再發明來訓練學生的創新思維和創新能力。

關鍵詞：TRIZ；物理創新性實驗；教學模式

在國家大力提倡“大眾創業， 萬眾創新”的戰略背景下，許多普通二本院校都向應用型本科方向轉型，如何培養具有創新能力的應用型本科人才是各高校普遍關心的問題。物理學科的基礎性、應用性、實踐性決定了大學物理實驗在理工科專業開設的必要性和重要性。將TRIZ理論、方法引入大學物理創新性實驗中，探索一種有效的教學模式，培養具有創新精神和能力的應用型人才，具有普遍的價值。

1 目前大學物理創新性實驗教學存在的問題

主要存在的問題是：缺乏創新理論指導，實驗項目內容與生產實踐結合不緊密，實用性內容缺乏[1]，教學方法陳舊，應用型本科的應用性不強等。

2 TRIZ簡介

TRIZ譯為漢語是“解決有關發明問題的理論”，它是前蘇聯科學家阿奇舒勒在1946年創立的。TRIZ理論成功地揭示了創造發明的內在規律和原理，致力于理清系統中的矛盾。基于技術的發展演化規律來研究整個設計與開發過程，并且完全解決矛盾，獲得最終的理想解，使得發明創造不再是隨機的行為。

TRIZ理論體系：TRIZ的理論基礎是自然科學、系統科學和思維科學；TRIZ的哲學范疇是辯證法和認識論；TRIZ來源于對海量專利的分析和總結；TRIZ的理論核心是技術系統進化法則；TRIZ的基本概念包括進化、理想度、系統、功能、矛盾和資源；TRIZ的創新問題分析工具包括根本原因分析、功能分析、物場分析、資源分析和創新思維方法；TRIZ的創新問題求解工具包括發明原理、分離方法、科學效應庫、標準解系統和創新思維方法；TRIZ的創新問題通用求解算法是發明問題求解算法（ARIZ）[2]。

各國的工程實踐證明，應用TRIZ理論，對于技術創新、產品研發具有極大的推動作用；世界各知名企業紛紛采用，獲得了較高的經濟效益和社會效益。世界上許多高校積極將此理論引入課程教學中。將TRIZ理論引入創新性物理實驗環節，對于系統培養學生的創新精神、創新思維和創新能力極為必要。

3 TRIZ大學物理創新性實驗教學模式

郭獻章，張淑梅，房瑞東等提出了“基于TRIZ-CDIO模式的大學物理實驗教學模式”，（CDIO為工程教育模式。）文中重點介紹了TRIZ-CDIO物理實驗教學模式的應用步驟，包括在教材、教案、教學過程中如何應用TRIZ-CDIO的理論與精神；在項目的研發與實施中實施TRIZ-CDIO的理論；用TRIZ-CDIO方法對教與學進行能力評價與反饋[3]。但缺乏針對具體的實驗環節提出詳細的、可操作的方法，且未就物理學科的理論與實際應用之間的聯系做深入的分析。

本文在此研究的基礎上，依據TRIZ理論，將物理效應作為理論與實際聯系的橋梁，針對創新性物理實驗環節，提出了基于TRIZ的大學物理創新性實驗教學模式。具體論述如下：

物理效應在實際生產生活中被廣泛應用，正如阿奇舒勒在《創造是精確的科學》一書中所述：不難發現，簡單的綜合方法（如分割、反轉、組合等），在宏觀水平上占優勢。在微觀水平上占優勢的那些方法，差不多總是用到物理效應和現象。在微觀水平上，方法都是物理學和化學方面的。因此，為發明家們提供關于物理學方法的系統資料就顯得尤為重要，這可以大大提高他們將物理效應和現象用于發明的 可能性。由此可見，將TRIZ理論中科學效應庫中的物理效應作為創新性物理實驗中，物理學科理論與實踐聯系的橋梁最為恰當。

在教學內容上，在大學物理創新性實驗教學中，傳統的教學模式是教學內容更新緩慢，表現在具體的軟硬件建設上，設備陳舊，實驗內容更新慢[4]。基于TRIZ的大學物理創新性實驗教學模式，以TRIZ理論為指導，圍繞TRIZ物理效應知識庫，緊密聯系實際，緊跟當前研究前沿，著重研究和挖掘物理效應在實際中的應用，這樣就能解決教學內容更新慢的不足，而關于實驗設備問題，本教學模式突破實驗室限制，通過建立網絡化大學物理實驗信息平臺[5]，根據具體項目的不同，首先選擇仿真實驗的方式進行實驗，在此基礎上選擇與相應的生產企業合作的方式來解決實驗設備陳舊的問題。

在實驗項目的選擇上，要緊密聯系生產實踐，以創新技術開發和新產品研發為目標，選擇基于物理效應應用的技術開發和產品研發。

在實驗教學組織上，通過網絡構建開源技術創新社區，組建基于物理效應應用的技術開發和產品研發小組，努力形成包括跨學科、跨專業的教師團隊、學生、生產企業工程技術人員等在內的學習實踐共同體，極大地突破了創新性實驗的空間和時間限制。學習者實踐共同體是情境學習在人類學研究領域中的另一個核心要素，它指的是學習的生態性環境。有研究表明，學習者通過與學習環境的交互作用中，獲得知識的途徑有兩種形式：一是學習者與信息內容交互，它導致了個體知識的建構活動；二是學習者與其他人（教師、輔導者、同伴等）之間的社會性互動，它導致了社會性知識建構[6]。而學習者實踐共同體就是促進社會性知識建構的主要途徑。

在實驗教學方法上，改革以教師為主的教學方法，形成以教師、學生、工程技術人員等學習實踐共同體成員共同協商、對話分析、解決問題的方法。

在具體教學過程的設計上，主要是通過選擇專利文獻中相關物理效應的典型應用項目，引導學生運用TRIZ理論和方法，按照應用科學效應知識庫解決問題的步驟，對專利項目進行再發明來對學生進行系統的TRIZ創新思維、創新方法、創造能力的訓練。在此基礎上，通過選擇合適的實驗項目，緊緊圍繞物理效應知識的應用，開展真實的創新性實驗項目研究。活動與任務的真實性，為理解與經驗的互動創造機會[7]。研究表明，在真實的活動與任務中學習的效果遠比傳統方式好。學生的學習方式由傳統方式轉向基于問題的建構性學習。如此一來，使得學生對TRIZ理論和方法的應用有一個系統的、全面的了解和掌握，為學生今后從事技術研發、產品開發打下堅實的基礎。例如，以設計開發新一代“節能環保型”注塑機項目為例，首先確定對問題進行分析，通過對已有的專利中注塑機存在的問題分析，得到諸如定量泵不可調節輸出功率，導致各種閥的磨損、油溫過高、電機噪聲過大等問題；其次確定所解決的問題需要實現的功能，如在規定的時間內將一定量的塑料加熱、塑化后，以一定的壓力和速度將熔融塑料注入到模具型腔中；第三需求功能定義：使得熔融流體在高壓空氣的作用下產生運動等；第四根據功能查找科學效應庫，得到TRIZ理論所推薦的效應；第五篩選所推薦的效應知識庫中的案例，優選適合解決本問題的效應和案例。通過篩選，選出能解決功能的物理效應有帕斯卡效應、歐姆效應、螺線管磁場效應、磁場力效應；第六把效應應用于功能實現，并通過數字化仿真的方式驗證方案的可行性，如果問題沒有得到解決或功能無法實現，則重新分析問題或查找合適的效應，直到問題解決。本例中用電器柜控制線圈中電壓或電流的大小和方向，在線圈內部產生不同的磁場，使得電磁換向閥在規定的時間內接通和斷開，進而控制高壓流體按照注塑工藝的要求，快速推動熔融塑料填充到模具型腔中完成注塑動作。第七形成最終的解決方案。基于TRIZ理論科學效應知識庫中物理效應的運用，將注射機構原來的液壓驅動注射系統改為高壓流體直接推動熔融流體的注射系統，成功地運用了科學知識庫中的物理效應進行了產品創新設計。通過數字化仿真試驗驗證，新產品的性能和可靠性從根本上得到了提高。endprint

以上案例中，雖然此項目是屬于機電設備，對于物理學專業的學生具有一定的難度，但是在大學物理實驗教學中，引進CDIO工程教育模式，消化并吸收此模式的合理內核，可使得實驗教育具體化、可操作、可測量，從而可指導師生的教與學的實踐活動。CDIO體現了系統性、科學性和先進性的統一，代表了當代工程教育的發展趨勢，也是實驗教學改革的成功方向之一。所以，對于物理學專業的學生來講，也是一個很好的學習工程知識的過程。關于跨專業學習難度的問題，可以由跨學科跨專業的教師團隊加以解決。通過教師組織學生在真實的活動和任務中的積極參與，對這種專利項目利用TRIZ理論和方法進行再發明的方式，學生親身體驗了運用TRIZ理論和方法解決真實而復雜的問題的過程，對物理效應在解決工程實踐中的應用有了更加深刻的體會。這將大大有助于學生對知識的理解和掌握；同時對于學生的創新思維、創新能力也是一個系統而全面的訓練。

在教學評價方面，主要以發表的論文、實際申請的專利數量和質量以及成果的轉化率為衡量標準。

4 總結

基于TRIZ的大學物理創新性實驗教學模式，針對創新性物理實驗環節，將TRIZ理論引入其中，以物理效應作為理論與實踐聯系的橋梁，在教學內容上圍繞物理效應在實踐中的應用展開；在實驗項目選擇上，選擇基于物理效應的專利技術進行再發明為實驗項目；在教學組織上，突破空間、時間限制，通過網絡構建開源技術創新社區，組建基于物理效應應用的技術開發和產品研發小組，努力形成包括跨學科、跨專業的教師團隊、學生、生產企業工程技術人員等在內的學習實踐共同體；在教學方法上，提出了學習實踐共同體成員通過共同協商、對話分析解決問題的方法；在具體教學過程的設計上，先通過對專利項目進行再發明來對學生進行系統的TRIZ創新思維、創新方法、創造能力的訓練。在此基礎上，通過選擇合適的實驗項目，緊緊圍繞物理效應知識的應用，開展真實的創新性實驗項目研究。

參考文獻

[1].王慧琴，吳慶豐，梁小軍等.以應用為導向的大學物理實驗改革的探討.[J].物理實技術與管理.2012，29（9），148.

[2].李海軍，丁雪燕.經典TRIZ通俗讀本.[M].中國科學技術出版社，2009.12，11

[3].郭獻章，張淑梅，房瑞東等.基于TRIZ-CDIO模式的大學物理實驗教學探索與實踐.物理實驗.[J].2017，10（39），44-48.

[4].張強，李含.大學物理實驗教學模式的探討.[J].教育現代化，2017，4（32）：115-116

[5].王月明，劉官元，董大明.網絡背景下大學物理實驗教學模式探討.[J].大學物理實驗，2010，6（3）：86

[6].陳健.論基于網絡交互的學習共同體[J].科技咨詢導報，2007（12）：197

[7].高文.情境學習與情境認知[J].教育發展研究，2001（8）：40

作者簡介

黃華（1964-），男，四川簡陽人，物理與電子信息工程學院副研究員，研究方向為物理實驗教學。endprint