基于TRIZ的油氣儲運工程專業學生創新與實踐能力培養

畢海勝，李慧瑤，郭建章，卜秋祥，戴 萍，夏豐金，王海霞

(青島科技大學，山東 青島 266061)

創新是一個民族、一個國家強大的不竭動力，科技的進步和知識的創新愈加決定國家的發展進程。而當今大學生是富有智慧的一體，是有創造力的一代，是未來創新的主力軍。為貫徹國務院《關于強化實施創新驅動發展戰略進一步推進大眾創業萬眾創新深入發展的意見》，培養適應創新型國家建設需要的高水平創新人才，為國家《中長期油氣管網規劃(2016-2030)》的實施輸送合格創新型應用人才，青島科技大學油氣儲運工程專業一直以來非常重視學生創新能力的培養，不斷改革人才培養模式，修訂人才培養方案，強化創新能力訓練。從2015級開始，就在本科生班級中成立科技創新小組，鼓勵參加各類科技創新創業大賽，在不同年級之間形成良好的“傳、幫、帶”的科技創新氛圍。在本科人才培養方案中增設創新實踐學分，特別是2018年新開設了基于TRIZ的《創新方法與創新設計》課程，進一步增強大學生創新創業能力和動力，尤其對學生自主創新能力的提高起到至關重要的作用。本文針對TRIZ創新方法以及學生創新作品進行分析與思考，對TRIZ這種創新課程進行了有益的探索和大膽的嘗試。

1 TRIZ的基本概念及發展

TRIZ是前蘇聯偉大發明家根里奇·阿奇舒勒(G. S. Altshuller)，自1946年開始，在研究世界各國大量高水平專利的基礎上，提出的具有完整性的發明問題解決理論，是拉丁文Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch的詞頭縮寫，其意義為發明問題解決理論。20世紀80年代中后期，TRIZ理論逐步傳播世界，在創新領域產生了深遠的革命性的影響[1]。

1.1 TRIZ基本原理

TRIZ將工程中的問題統一歸為兩類：通常問題與發明問題。通常問題其解是已存在的，可以從專業書籍或領域專家獲得問題的解；而發明問題一般含有相互矛盾的需求或者存在“沖突”。G. S. Altshuller認為，解決發明問題的基本原理是客觀存在的，這些客觀存在可以被整理而形成一套理論，掌握該理論不僅可以提高創新成功率、縮短發明周期，而且可使發明問題的解具有可預見性[2-3]。創新的關鍵是解決發明問題，創新的實質就是在解決問題過程中克服“沖突”。TRIZ是創新方法進化到高級階段的產物，運用TRIZ解決發明問題也加速了創新的過程。

1.2 通用工程參數

技術沖突是普遍存在的，影響沖突的工程參數也是多樣化的，為了簡明的表達沖突，采用一種通用化、標準化的方法來描述技術沖突。因此，TRIZ理論提出39個通用工程參數描述沖突。對于實際的問題，首先提煉出一組或多組沖突，即創新問題，然后把組成沖突的雙方內部性能采用39個參數來表示，把實際工程設計中的沖突轉化為標準的技術沖突，見表1。

表1 通用工程參數

表1(續)

圖1 TRIZ橋簡圖

39個通用工程參數是連接具體問題與TRIZ的橋梁。借助于39個通用技術參數，可以將一個具體問題轉化并表達為標準的TRIZ問題，如圖1所示。

1.3 發明原理

TRIZ理論指出，在以往不同領域的發明創新中所用到的規則并不多，無論是不同時代的發明，還是不同領域的發明，這些規則被反復采用。每條規則并不局限于僅能用于某一領域，它是融合了各工程領域的原理，適用于不同領域的發明與創新。TRIZ實踐證明的40條發明原理如表2，每條發明原理通常包含若干個子原理，它們往往形成一個原理鏈，后一條子原理是前一個子原理的發展[4]。

表2 發明原理

1.4 沖突矩陣

將描述技術沖突的39個工程參數與40條發明原理建立對應關系，即沖突矩陣。沖突矩陣為40×40的一個矩陣，其中第1行或第1列為順序列出39個描述沖突的工程參數的序號，其余39×39形成一個作用矩陣，矩陣元素或空白或有幾個數字，這些數字即為40條發明原理中推薦采用的原理序號。如圖2所示，矩陣中的行表示沖突中惡化的一方，而列所代表改善的一方。

圖2 沖突矩陣局部圖

2 TRIZ在油氣儲運創新的應用

學生對新開設的基于TRIZ的《創新方法與創新設計》課程興趣很高，課堂氣氛熱烈。在此之前，學生普遍認為，創新是偶然的，無規律可循的，大多來自于瞬間的某種靈感；創新只是少數人能做到的，不是大眾的。課程結束后，學生徹底改變了之前狹隘的認知，慢慢接受創新是有章可循的，是能找到相對捷徑的，打破思維慣性，可以提高創新的效率和成功率。

基于TRIZ的原理，油氣儲運工程專業學生突破慣性思維，大膽創新，并取得了很好的成效。以學生設計出的一種油水分離裝置為例。

國家對含油污水的排放標準提出了嚴格的要求，2015年4月發布了GB31570-2015《石油煉制工業污染物排放標準》，取代了GB8978-1996《污水綜合排放標準》，特別保護地區執行的一級排放標準由5mg/L以下提高至3mg/L以下。傳統的基于重力分離、過濾的含油污水處理裝置已很難滿足要求，急需開發出新型含油污水處理裝置。基于此，學生首先設計出了一種利用石墨烯海綿作為吸附材料的含油污水處理裝置，如圖3和4所示，主要由分離筒、壓桿、液體分布器及油含量測定儀等組成。

1-壓桿、2-分離筒外筒、3-液體分布器、4-進水閥、5-進水泵、6-石墨烯填料、7-分離筒內筒、7.1-擠壓出油區域、7.2-進水區域、7.3-控水區域、7.4-網孔底板、7.5-擋板、8-出水閥、9-出油閥、10-油含量測定儀、11-傳動軸、12-出油接管、13-出水接管

圖3 含油污水分離裝置結構簡圖

1-分離筒內筒；2-進液管；3-氣壓桿；4-分離筒外筒；5-支架

含油污水分離裝置的工作過程主要分為油吸附過程，控水過程及排油過程。充分利用了新型石墨烯優異的親油疏水性能和彈性，并通過擠壓恢復再生能力，實現了含油污水的分離。但是存在一個缺點，由于擠壓桿的存在，使裝置結構無法實現連續生產，即在擠壓桿工作時，內筒將停止旋轉，待擠壓完畢，擠壓桿離開才可以繼續旋轉，這樣就造成了時間的損失，效率偏低。

學生基于TRIZ創新方法，針對油水分離器擠壓桿的存在無法實現連續性運行，造成時間上損失的問題，通過TRIZ歸結為1組標準沖突“運動物體作用時間”和“時間損失”，其中“運動物體作用時間”是指擠壓桿上下運動時的作用時間。具體解決方案的過程解析如圖5所示。

圖5 基于TRIZ油水分離裝置的改進解決方案

查閱沖突矩陣表得出相對應的發明原理有NO.10:“預操作”，NO.20:“有效作用的連續性”，NO.18:“振動”，NO.28:“機械系統的替代”，經分析篩選，可以利用第20條發明原理“有效作用的連續性”解決此問題。其內涵有兩種：

(1)物體的各個部分同時滿載持續工作，以提供持續可靠的性能；

(2)消除空閑和間歇性動作。

由此可以通過消除間歇性動作，即將壓桿的上下間歇性動作取消，通過改變石墨烯海綿的擠壓方式來實現裝置的連續性。根據TRIZ發明原理第20條“有效作用的連續性”考慮改變壓桿壓縮石墨烯海綿回收污油的方式。利用偏心輪的原理改變筒的結構，將擋板設計成具有伸縮性的擋板，通過改變每個筒槽的容積來實現擠壓石墨烯海綿來回收污油，具體結構如圖6所示。

1-4控水區域；5-8-擠壓區域；9-泵；10-電動機；11-液體分布器；12-外筒；13-內筒

圖6 基于TRIZ的偏心筒油水分離裝置

當筒槽轉至第5號區域時出現擠壓效應，隨著內筒的轉動石墨烯海綿進一步被壓縮，在圖中所示5號至8號區域均為擠壓區域，含油污水在1部分通過液體分布器連續通入內筒，1至4區域為控水區域。

與之前的分離筒結構相比，該分離筒去除了擠壓桿，即不利用擠壓桿擠壓石墨烯，而將分離筒用可壓縮性擋板分為8個體積可變的部分，每個部分內都裝有同樣大小的石墨烯海綿，在偏心輪的作用下，使吸收了含油污水的石墨烯海綿在旋轉過程中被壓縮，達到油水分離的目的。

3 TRIZ對學生創新能力培養的深入探索與思考

國家建立了“大眾創業、萬眾創新”的“雙創”政策庫，對新形勢下高等學校畢業生的自主創新能力提出了更高的要求。深化高校創新教育改革，是國家實施創新驅動發展戰略、促進經濟提質增效升級的迫切需要，是推進高等教育綜合改革、促進高校畢業生更高質量創業就業的重要舉措。近年來，高校雙創教育不斷加強，對促進學生全面發展、推動畢業生創業就業、服務國家現代化建設發揮了重要作用。基于TRIZ的創新理論，正是適應了新形勢下國家對高校“雙創”教育改革的迫切需求。特別是對于油氣儲運工程這種特色交叉學科，學生具備寬厚的專業基礎和較大的創新潛能，培養學生的創新精神、創新能力和創業意識是創新教育改革的總體目標，當前，實現這一目標的任務艱巨而緊迫。為此，基于TRIZ提出學生創新能力培養的幾點探索與思考：

3.1 加強教師創新教育教學能力建設

“以學生為中心”是工程教育專業認證的核心理念，而學生創新能力的培養仍需要教師的全面引導。青島科技大學油氣儲運工程系非常注重教師創新教育教學能力建設。目前已有3名教師參加國家技術創新方法與實施工具工程技術研究中心創新培訓班[5]，并獲得師資培訓證書，其中1名老師獲得TRIZ國際二級證書。相繼承擔了機電工程學院油氣儲運工程、能源與動力工程、過程裝備與控制工程等專業《創新方法與創新設計》課程的講授。

3.2 創新人才培養機制

明確把創新精神、創業意識和創新能力作為評價人才培養質量的重要指標，并適時修訂人才培養方案。開設跨學科專業的交叉課程，探索建立跨學科、跨專業交叉培養創新人才的新機制，促進油氣儲運工程專業人才培養由學科專業單一型向多學科融合型轉變。新開設的《創新實踐》課程與機械工程專業交叉，增設的《創新方法與創新設計》課程與過程裝備與控制工程等專業融合，取得了良好的效果。此外，積極探索校企協同育人新機制，將TRIZ理論服務企業產品創新和提高學生創新能力無縫對接起來，探索建立需求導向型人才培養類型結構調整新機制。

3.3 探索改革教學方法和考核方式

注重啟發式、討論式、參與式教學，培養學生的批判性和創造性思維。改革考試考核方式，不再采用傳統的試卷考試，而是通過將學生分組，組內分工協作、共同討論完成一個創新作品。同時加強過程考核，大幅度提高過程考核成績在課程總成績中的比重。特別強調團隊協作，共同參與，一定程度上也提高了團隊協作能力。

3.4 探索創新學分轉換機制

設置創新學分，建立創新學分積累與轉換制度。例如，學生參加各類科技創新大賽獲獎、TRIZ創新方法大賽、獲得專利、發表論文等，可以折算為學分。探索設立創新獎學金，科技創新保研機制等，鼓勵并優先支持有意愿有潛質的學生大膽創新。使萬眾創新逐步落實到每一位大學生，也使當今大學生成為國家萬眾創新的中堅力量。