基于TRIZ理論的高校物理演示模擬研發改進的想法

于娜 王林杰 劉雪華

摘?要：以往的演示儀器的制作和改進沒有方法論上的依據，研發行為較為隨機，儀器功能單一，研發效率不高。引入TRIZ理論后，可對改進、研發演示儀器的行為進行指導，幫助快速指出矛盾，縮短時間。

關鍵詞：大學物理;演示儀器制作;TRIZ理論

物理學是從實驗中提取規律的學科，對今天和未來的科技發展都有緊密的聯系和影響。從我國航天事業的發展，到量子芯片的研發;從北斗系統的建立，到微創手術的實施，都離不開物理作為基礎的作用。在學習物理知識時，若能直接觀察現實模擬，有助于學生加深對知識的理解，體會其中蘊含的物理學方法。制造能簡潔的展示物理規律的演示儀器就很有必要。

由阿奇舒勒創立的TRIZ理論，是發明問題的解決理論，也可叫做創新理論[3]。利用TRIZ理論指導演示實驗儀器的創新制作，能有效的提升知識轉化可視現象的效率。

1 目前物理知識轉化演示儀器遇到的困難

從調研中可知，為了加強學習效果，有的院校構建立體式學習環境，建立了演示實驗中心（以北京交通大學為例）、演示走廊（以北京航空航天大學為例）[1]，還有學校調整教室結構，方便演示儀器進入課堂（以清華大學為例）。可以看出，院校對于物理基礎課的重視和為了提高學生對知識的接受度作出的努力。把理論知識通過演示儀器表現出來，成了教師們的熱點問題。以往的演示儀器制作一般只考慮物理原理如何展現，一臺演示儀器針對一種物理規律，儀器的制作和改進沒有方法論上的依據，研發行為較隨機，儀器功能單一，研發效率不高[3]。

2 TRIZ理論能解決的問題和創新原理

20世紀50年代起，阿奇舒勒帶領TRIZ理論研究團隊通過分析近250萬份高水平發明專利，提出了發明創造的原理及規律[2]。運用該理論，能準確確定問題探索方向，突破思維障礙，以新的視角分析問題，能使發明創造行為更加科學化，而不是隨機行為。TRIZ理論在全世界廣泛應用，創造出大量重大發明，幫助企業改進技術，減少研發經費，縮短研發時間，從而獲得了重大的經濟效益和社會效益。TRIZ理論通過對問題情境進行系統分析，快速發現問題本質，對創新性問題提供更合理的解決方案和解決辦法。TRIZ理論的基本措施目前總結為40條創新原理，在社會學、建筑、生物學、醫療、商業、工業、教育等領域都有指導作用。

3 利用TRIZ理論解決問題實例

3.1 基于拆出原則改進茹可夫斯基凳

拆出原則是指從物體中拆出“干擾”部分或相反，分出唯一需要的部分[2]。剛體的定軸（z軸）轉動的質點系角動量守恒定律，當軸力矩Mz=dLzdt=dJzωdt=0時，軸角動量Lz=Jzω是常量，角動量守恒。其中Jz為軸轉動慣量，ω為剛體繞軸轉動角速度。此規律在生活中較為常見，例如宇航員在失重狀態下懸空，以自身為軸的力矩為零，對軸角動量守恒。若宇航員要向左轉，需要用一只腳向右旋轉，身體由于角動量守恒，會向左旋轉。演示此規律的常規演示儀器是茹可夫斯基凳，一張可繞中央軸左右隨意旋轉的摩擦力很小的椅子，實驗者坐于其上，手持水平輪子的軸承，可近似認為重力軸上力矩為零，軸角動量守恒。當輪子向右轉，實驗者身體向左轉。此儀器的缺點一是較大較重，不好攜帶，二是實驗者坐的姿勢、位置若偏離中央軸，實驗現象不明顯。根據TRIZ理論分析了茹科夫斯基凳的“有效”部分為摩擦力很小的旋轉部分，將其拆分出來，去掉椅子。所以制作一個輕質材料的可容納兩腳大小的兩層圓站臺，兩層材料之間用軌道滾珠相連。轉臺中央軸做中空，將手持輪子的軸承卡于其內，方便移動，解決了問題一。實驗者使用時直立站立其上，身體不會偏離中央軸，解決了問題二。

3.2 基于組合原則和多功能原則研發干涉衍射實驗儀

組合原則指把相同的物體或類似操作的物體組合結合起來。多功能原則指一個物體執行多種不同功能[2]。在光學中，楊氏雙縫干涉、單縫衍射和圓孔衍射是要學習的基本規律。通過演示現象可以觀察不同入射波長對同一孔徑的現象，雙縫干涉中雙縫距離變化對干涉花樣的影響等一系列規律。分析這三種光路的相同點和不同點。相同點：雙縫干涉和單縫衍射光透過孔徑形狀為細縫;單縫衍射和圓孔衍射都是光通過單一孔徑。不同點：雙縫干涉需要把光分成兩束再相遇干涉;單縫衍射和圓孔衍射，光穿過的孔徑形狀不同。基于以上分析，利用組合原則，把功能具有相同點的可結合部分結合。干涉衍射儀基本組成部分如下圖，孔徑卡牌設有單縫，單孔，寬距雙縫，窄距雙縫和從光源起始光線完全分離雙縫等多種類型。這臺儀器經過卡牌組合可以顯示雙縫干涉、單縫衍射和圓孔衍射。儀器可以演示相同入射波長雙縫干涉受縫間距影響的干涉圖樣變化。基于多功能原則，激光光源設置雙色光源，內置紅色激光和綠色激光。儀器可以演示不同入射波長對干涉圖樣、衍射圖樣的影響。在講解相干光時，同時打開紅光和綠光，使用完全分離雙縫卡牌，會使一條縫出射紅光，另一條縫出射綠光，不會形成雙縫干涉圖樣，方便學生理解。

4 總結

在TRIZ理論指導下研發新的演示儀器或改進已有的演示儀器，有了方法論上的支持，可以提高研發的效率，節約經費。物理知識涵蓋范圍廣泛，有的演示儀器即使用TRIZ理論其技術矛盾也不能解決，還需要進一步努力。

參考文獻：

[1]李英姿，陳強，等.關于物理演示走廊的一些思考和實踐[J].大學物理，2001（04）：25-26.

[2]楊清亮.發明是這樣誕生的：TRIZ理論全接觸[M].北京：機械工業出版社，2006.

[3]楊林君，陳建勇.遙控式角動量守恒演示儀[J].新校園（上旬），2015（07）：44.

項目：河北省高等教育教學改革研究與實踐項目（批準號：2018GJJG649）;河北省實驗教學示范中心建設項目;北京交通大學海濱學院優秀教學團隊建設項目;北京交通大學海濱學院教科研項目

*通訊作者：劉雪華（1983-），女，漢族，遼寧遼陽人，碩士研究生，講師，研究方向：等離子體物理。