基于TRIZ理論的《陶瓷工藝學(xué)》教學(xué)與創(chuàng)新教育融合的研究

趙慧君 劉罡 李其松 賈少培 陳守輝 張文麗 鄭瑾 陳穎穎

摘要：為培養(yǎng)應(yīng)用創(chuàng)新型人才，文章提出將《陶瓷工藝學(xué)》課程教學(xué)與創(chuàng)新教育融合的觀點(diǎn)，首先通過案例引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新思維，突破定勢思維，其次將重新構(gòu)建《陶瓷工藝學(xué)》的課程內(nèi)容體系，同時，將課程中的知識重點(diǎn)與難點(diǎn)轉(zhuǎn)化為TRIZ系統(tǒng)中的技術(shù)沖突重現(xiàn)過程，通過翻轉(zhuǎn)式、啟發(fā)式教學(xué)引導(dǎo)學(xué)生主動參與發(fā)明原理溯源、技術(shù)進(jìn)化定律分析及沖突科學(xué)解決的理性思考過程，實(shí)現(xiàn)了學(xué)生主動參與教學(xué)過程的目的，培養(yǎng)創(chuàng)新意識，提升掌握和使用創(chuàng)新工具的能力。為今后專業(yè)教育與創(chuàng)新教育的融合打下了良好的實(shí)踐基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：TRIZ理論;陶瓷工藝學(xué);創(chuàng)新教育;融合

《陶瓷工藝學(xué)》是材料科學(xué)與工程專業(yè)的專業(yè)限選課程，是無機(jī)非金屬材料專業(yè)一門主干的、實(shí)踐性較強(qiáng)的專業(yè)課程，主要講述陶瓷材料的生產(chǎn)工藝原理、工藝流程和工藝控制要點(diǎn)。通過課堂教學(xué)和工藝實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生了解日用陶瓷及主要工業(yè)陶瓷制品的種類、基本性能要求;掌握陶瓷生產(chǎn)主要原料的性質(zhì)、特點(diǎn)和作用;掌握陶瓷坯料、釉料基本工藝要求和配方設(shè)計(jì)計(jì)算[1]。教學(xué)過程中融入TRIZ創(chuàng)新思維方法，將陶瓷工藝學(xué)課程教學(xué)與創(chuàng)新教育相融合，有效整合教學(xué)資源，加強(qiáng)學(xué)生的應(yīng)用能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維，為分析和解決一般生產(chǎn)工藝常見問題打開思路、提供工具，提升未來復(fù)合型應(yīng)用人才的創(chuàng)新能力[2]。

1.TRIZ理論概述

1.1 TRIZ的基本內(nèi)容

TRIZ是一種基于知識的發(fā)明問題解決系統(tǒng)方法學(xué)，該理論誕生于前蘇聯(lián)，是1946年由發(fā)明家、教育家根里奇·阿奇舒勒和他的研究團(tuán)隊(duì)，從250多萬件發(fā)明專利中總結(jié)出的創(chuàng)新最常用的方法和原理[3]。TRIZ理論認(rèn)為：（1）無論是一個簡單產(chǎn)品還是復(fù)雜的技術(shù)系統(tǒng)，其核心技術(shù)的發(fā)展都是遵循著客觀的規(guī)律發(fā)展演變的，即具有客觀的進(jìn)化規(guī)律和模式;（2）各種技術(shù)難題、沖突和矛盾的不斷解決是推動這種進(jìn)化過程的動力;（3）技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展的理想狀態(tài)是用盡量少的資源實(shí)現(xiàn)盡量多的功能。

TRIZ是由40條發(fā)明原理、8大技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則、4種分離方法、76個標(biāo)準(zhǔn)解形成的。經(jīng)典TRIZ包括創(chuàng)新思維工具、技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則、矛盾矩陣、物-場模型、標(biāo)準(zhǔn)解法等。TRIZ強(qiáng)調(diào)發(fā)明或創(chuàng)新可依一定的程序與步驟進(jìn)行，而非偶然的頓悟、突然的靈光乍現(xiàn)。

1.2 TRIZ的應(yīng)用

蘇聯(lián)在上世紀(jì)中期開始大力培養(yǎng)國民創(chuàng)新能力和素質(zhì)，將TRIZ學(xué)習(xí)列入憲法中，有100多所院校開設(shè)有TRIZ理論的課程。隨著蘇聯(lián)的解體，人才向西方國家流動，世界各國才得以逐漸了解TRIZ理論并將其應(yīng)用到本國的發(fā)展中。

美國的一些世界級公司，如波音公司，利用TRIZ理論解決了波音飛機(jī)空中加油的關(guān)鍵技術(shù)問題，從而戰(zhàn)勝了法國空中客車公司，為波音贏得了幾億美元的訂單。德國幾乎所有名列世界500強(qiáng)的大企業(yè)都采用了該理論，如西門子、奔馳、寶馬等著名公司都有專門的機(jī)構(gòu)及人員負(fù)責(zé)該理論的培訓(xùn)和應(yīng)用。日本的索尼公司每年都要推出數(shù)種新產(chǎn)品，其動力來源于創(chuàng)新戰(zhàn)略和創(chuàng)新理論方法的研究應(yīng)用。韓國的三星電子公司也專門成立了協(xié)會，在產(chǎn)品技術(shù)研發(fā)部門實(shí)施技術(shù)創(chuàng)新理論培訓(xùn)，目前三星公司已成為在中國申請專利最多的國外企業(yè)[4]。

2.TRIZ理論在《陶瓷工藝學(xué)》教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 創(chuàng)新思維，突破定勢

創(chuàng)新是人人都具有的一種潛在的能力，而且這種能力可以通過一定的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練得到激發(fā)和提升。同時，創(chuàng)新是有規(guī)律可循的。而要創(chuàng)新思維，就要突破思維定勢。思維定勢能幫助我們解決常見的問題，提高效率，但也容易使思維僵化，養(yǎng)成一種機(jī)械、呆板、千篇一律的解題習(xí)慣。相對于傳統(tǒng)發(fā)散的創(chuàng)新方法，比如試錯法、頭腦風(fēng)暴法等，TRIZ創(chuàng)新方法是收斂創(chuàng)新，其更加易于操作、系統(tǒng)化、流程化，實(shí)踐證明，運(yùn)用TRIZ理論，可大大加快人們創(chuàng)造發(fā)明的進(jìn)程，幫助人們系統(tǒng)地分析問題情境，突破思維障礙，快速發(fā)現(xiàn)問題本質(zhì)或矛盾，確定問題探索方向。

《陶瓷工藝學(xué)》課程教學(xué)中，通過案例訓(xùn)練學(xué)生的創(chuàng)新思維，比如“在一條有限的紙條上劃出一條直線，從起點(diǎn)到起點(diǎn)”，引導(dǎo)學(xué)生使用莫比烏斯環(huán)，然后引導(dǎo)學(xué)生思考莫比烏斯帶的應(yīng)用領(lǐng)域，進(jìn)而引出TRIZ創(chuàng)新方法中的效應(yīng)庫。

2.2 基于TRIZ理論構(gòu)建課程內(nèi)容

傳統(tǒng)的《陶瓷工藝學(xué)》課程內(nèi)容包括十個章節(jié)，與TRIZ創(chuàng)新方法相融合后，具體的章節(jié)內(nèi)容發(fā)生了一些變化（表1），課程的總體學(xué)時不變。主要變化在于，加入了融合課程內(nèi)容的TRIZ創(chuàng)新方法講授，尤其是前兩章的內(nèi)容，TRIZ創(chuàng)新方法的介紹較多。經(jīng)過TRIZ創(chuàng)新方法融合后的《陶瓷工藝學(xué)》，從目錄上來看，后面8個章節(jié)基本沒有發(fā)生變化，但在具體授課時，會以前兩章所學(xué)習(xí)的TRIZ創(chuàng)新方法為指導(dǎo)，對陶瓷制備工藝發(fā)展過程中的技術(shù)沖突或物理沖突進(jìn)行識別并創(chuàng)新解決，為今后學(xué)習(xí)具體的陶瓷成型工藝、燒成工藝、施釉工藝等內(nèi)容打好科技革新及分析解決技術(shù)沖突、物理沖突的基礎(chǔ)。

TRIZ理論認(rèn)為在任何時代、任何科技領(lǐng)域都存在著技術(shù)進(jìn)化系統(tǒng)，并總結(jié)出了9條技術(shù)進(jìn)化定律，這種技術(shù)進(jìn)化路線是可以被歸類和預(yù)測的。因此，在《陶瓷工藝學(xué)》的課程教學(xué)中，可以遵循陶瓷制備技術(shù)進(jìn)化與發(fā)展的主線，分析把握工藝進(jìn)化的主要因素與方向，將陶瓷制備工藝過程中每一道主要工序的變革與改進(jìn)（第四、第五、第六、第七、第八章）看做是陶瓷制備工藝技術(shù)進(jìn)化的典型案例進(jìn)行分析，將第三章（顯微結(jié)構(gòu)與性質(zhì)）看做是具體技術(shù)沖突中的可分析工程參數(shù)，從而將整個課程的知識體系通過TRIZ方法有機(jī)的聯(lián)系起來，在傳授專業(yè)知識的基礎(chǔ)之上，有效提高學(xué)生掌握《陶瓷工藝學(xué)》課程的精髓，把握專業(yè)的發(fā)展及創(chuàng)新方向。

在具體教學(xué)過程中，每一章節(jié)在授課之前，將技術(shù)進(jìn)化定律與授課內(nèi)容進(jìn)行統(tǒng)領(lǐng)式關(guān)聯(lián)，對技術(shù)發(fā)展中的沖突進(jìn)行分類和分離。在具體到每一章節(jié)，每一個技術(shù)環(huán)節(jié)時，可以將每種新技術(shù)、新材料、新工藝的發(fā)展和應(yīng)用解決了何種沖突作為出發(fā)點(diǎn)，運(yùn)用TRIZ創(chuàng)新工具將創(chuàng)新方法及創(chuàng)新思維融入到具體的課程內(nèi)容之中。

2.3 沖突與發(fā)明原理在《陶瓷工藝學(xué)》教學(xué)中的應(yīng)用

沖突是指內(nèi)在要素、作用或主張彼此不一致或相反的情景，發(fā)明的核心是解決沖突，未克服沖突的設(shè)計(jì)不是創(chuàng)新設(shè)計(jì)。當(dāng)改善技術(shù)系統(tǒng)中某一特性或參數(shù)時，同時引起系統(tǒng)中另一特性或參數(shù)的變化，稱為技術(shù)沖突;在一個技術(shù)系統(tǒng)中對同一參數(shù)提出了相反或是不同的要求時，就構(gòu)成了物理沖突。阿奇舒勒通過對大量的專利進(jìn)行研究、分析、總結(jié)，提煉出了TRIZ理論中最重要，具有普遍用途的40個發(fā)明原理來解決技術(shù)沖突。 40個發(fā)明原理開啟了一道解決發(fā)明問題的天窗，將發(fā)明從魔術(shù)推向科學(xué)。

在陶瓷原料處理工藝改進(jìn)中，為了獲得突破性的解決方案，需要專業(yè)技術(shù)人員不斷改進(jìn)及創(chuàng)新。TRIZ工具中的阿奇舒勒沖突矩陣和發(fā)明原理可以啟發(fā)技術(shù)工程師獲得較為徹底的解決方案，而不需要通過妥協(xié)及折中的方法去解決技術(shù)沖突，大大提高了創(chuàng)新效率和效能。阿奇舒勒矛盾矩陣中調(diào)用的40個發(fā)明原理，在陶瓷原料處理工藝改進(jìn)過程中都能夠體現(xiàn)和運(yùn)用。在課程教學(xué)中可以與學(xué)生一起針對具體技術(shù)系統(tǒng)，尋找通用工程參數(shù)，確定技術(shù)矛盾，闡明適用的發(fā)明原理。現(xiàn)舉兩例。

TRIZ發(fā)明原理中的10“預(yù)操作”指的是事先完成部分或全部的動作或功能;在方便的位置預(yù)先安置物體，使其在第一時間發(fā)揮作用，避免時間的浪費(fèi)。此原理在陶瓷原料處理工藝中得到了廣泛應(yīng)用。我國陶瓷工業(yè)用石英原料通常采用脈石英或石英巖，質(zhì)地堅(jiān)硬，粉碎困難，效率低且磨損設(shè)備零件。而天然石英石低溫型的β-石英，當(dāng)加熱到573℃時，多晶轉(zhuǎn)變?yōu)棣?石英，體積驟然膨脹，致使石英內(nèi)部結(jié)構(gòu)疏松，利于粉碎。該處理方式同時采用了TRIZ發(fā)明原理36“相變”，即利用物質(zhì)相變時產(chǎn)生的某種效應(yīng)（如：體積改變、吸熱或放熱）。因此，石英粉碎前先進(jìn)行預(yù)燒，強(qiáng)化晶型轉(zhuǎn)變，然后急冷，加劇產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，促使碎裂。除了石英，其它原料如長石、滑石、粘土等，都可以采用類似預(yù)處理，因此，“預(yù)操作”、“相變”發(fā)明原理的采用大大改進(jìn)了陶瓷原料的處理工藝，從而改變其結(jié)晶形態(tài)和物理性能，便于加工處理、純化原料，使之更加符合工藝要求，提高制品的品質(zhì)，促進(jìn)了陶瓷工藝的進(jìn)步。

TRIZ發(fā)明原理中的15“逆向思維”指的是使物體或其環(huán)境自動調(diào)整，以使其在每個動作階段的性能達(dá)到最佳;把物體分成幾個部分，各部分之間可改變相對位置;使物體中的運(yùn)動部分靜止，靜止部分運(yùn)動。這條原理在陶瓷成型工藝時發(fā)揮了重要作用。例如，在陶瓷制品生產(chǎn)過程中，成型是非常關(guān)鍵的工序之一。可塑成型是最古老、形式變化最多，也是采用較多的成型方法。但可塑成型所用泥料含水量高，易變性、開裂等。旋壓成型是常用的一種可塑成型方法，主要是利用作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的石膏模與只能上下運(yùn)動的樣板刀來成型，因此坯體致密度和強(qiáng)度較低。利用“逆向思維”發(fā)明原理，把扁平的樣板刀改為回轉(zhuǎn)型的滾壓頭，成型時盛放泥料的模型和滾頭分別繞自己軸線以一定速度同方向旋轉(zhuǎn)，因此坯體組織結(jié)構(gòu)均勻，致密度和強(qiáng)度均有所提高。同時，滾壓成型是靠滾頭與坯體相滾動而使坯體表面光滑，且無須再加水。通過逆向思維，賦予成型坯體高強(qiáng)度、不易變形、表面品質(zhì)好、規(guī)整度高等多方面良好的性能。

2.4 技術(shù)進(jìn)化定律及路線在《陶瓷工藝學(xué)》教學(xué)中的應(yīng)用

技術(shù)系統(tǒng)在進(jìn)化的過程中有一定的原則，而不具有隨機(jī)性。如果在進(jìn)行產(chǎn)品技術(shù)研發(fā)時，能夠遵行法則掌握產(chǎn)品研發(fā)所處的階段，就能夠減少產(chǎn)品創(chuàng)新所花費(fèi)的時間，由此節(jié)約企業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新的成本[5]。生物的生命周期往往會呈現(xiàn)出S曲線，技術(shù)系統(tǒng)的進(jìn)化也恰好遵循客觀的進(jìn)化規(guī)律，當(dāng)技術(shù)系統(tǒng)經(jīng)歷了幼年、成熟等時期后，會形成一個循環(huán)，如圖1所示。

在學(xué)習(xí)《陶瓷工藝學(xué)》核心內(nèi)容“燒成”時，引導(dǎo)學(xué)生從燒成設(shè)備的核心技術(shù)出發(fā)，應(yīng)用TRIZ工具，將陶瓷燒成工藝發(fā)展與系統(tǒng)進(jìn)化理論聯(lián)系起來，從而高效地找到技術(shù)進(jìn)化路線。在其他章節(jié)的技術(shù)進(jìn)步及革新替代中也應(yīng)用TRIZ系統(tǒng)工具進(jìn)行分析，現(xiàn)以兩個教學(xué)案例具體說明如何將技術(shù)進(jìn)化定律與陶瓷工藝技術(shù)進(jìn)步進(jìn)行融合。

陶瓷行業(yè)的產(chǎn)品迭代離不開上游陶機(jī)裝備，尤其是被喻為陶瓷生產(chǎn)線心臟的窯爐設(shè)備的創(chuàng)新。從上世紀(jì)80年代起，窯爐技術(shù)在寬體化、輕體化、燃?xì)饣妥詣踊确矫嫒〉昧碎L足的進(jìn)步，并且隨著“工業(yè)4.0”和“中國制造2025”等概念的提出，窯爐裝備也在向數(shù)字智能化方向邁進(jìn)。其符合TRIZ進(jìn)化定律5“子系統(tǒng)不均衡進(jìn)化法則”。在陶瓷的燒成設(shè)備中，輥道窯的輥棒自動檢測和智能管理設(shè)備未來或成標(biāo)配，同時，隨著各陶瓷產(chǎn)區(qū)推進(jìn)“煤改氣”進(jìn)程的加快，越來越多企業(yè)的窯爐開始改燒天然氣，而天然氣窯爐節(jié)能降耗的空間巨大，另外，寬體化是窯爐行業(yè)的發(fā)展方向，從早期的2米內(nèi)寬再到后來的3.15米、3.45米以及3.85米，超寬體窯爐已經(jīng)成為眾多陶瓷企業(yè)的標(biāo)配，在窯爐橫向加寬的同時，另一方面，雙層窯和多層裝載的窯爐也開始出現(xiàn)，在縱向空間做文章，雙層窯、多層裝載或許將成為趨勢[6]。而燒成是普通陶瓷制造工藝過程中的工序之一，而窯爐則是燒成的專門熱工設(shè)備，燒成過程直接決定著陶瓷制品的礦物組成和顯微結(jié)構(gòu)，以及生產(chǎn)成本等。為了提高陶瓷制品的產(chǎn)量和質(zhì)量，降低能耗，降低勞動強(qiáng)度，減少污染以及提高燒成溫度，窯爐設(shè)備從古老的古窯、龍窯、階級窯、景德鎮(zhèn)窯，到近現(xiàn)代的倒焰窯、隧道窯、梭式窯、輥道窯，窯爐設(shè)備與燃料的發(fā)展變化，與其他工序相互影響，不平衡發(fā)展，由此也產(chǎn)生一系列創(chuàng)新。

再以現(xiàn)代的注射成型技術(shù)為例，其技術(shù)發(fā)展路徑符合進(jìn)化定律4“提高理想度法則”，即技術(shù)系統(tǒng)朝著提高系統(tǒng)理想度的方向進(jìn)化。傳統(tǒng)的可塑成型的生產(chǎn)效率一般較低，且對泥料的可塑性較高，同時對操作人員的技術(shù)要求較高，工藝的普遍適用性較低;注漿成型的陶瓷制品相比而言工藝適用性提高，對操作人員的要求明顯降低，但注漿成型的尺寸精度較低;注射成型無論是適用性，還是產(chǎn)品尺寸精度、產(chǎn)品復(fù)雜程度都有較大改善，注射成型產(chǎn)品的整體性能普遍提高。利用現(xiàn)有的能量和資源實(shí)現(xiàn)有用功能，同時降低或減少有害作用，從而提高理想度。

3.結(jié)語

將TRIZ 理論引入專業(yè)課程教學(xué)過程，對專業(yè)課程《陶瓷工藝學(xué)》的教學(xué)方法與手段、教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行重新設(shè)計(jì)與構(gòu)建。在教學(xué)過程中構(gòu)建技術(shù)沖突、物理沖突并引導(dǎo)解決沖突的場景，將陶瓷制品的制備工藝發(fā)展與技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)化法則聯(lián)系起來，通過多種教學(xué)方法與手段，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用TRIZ創(chuàng)新工具參與尋找技術(shù)進(jìn)化規(guī)律與路線，通過科學(xué)的方法培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識，將專業(yè)教育與創(chuàng)新教育有機(jī)融合在一起，取得了良好的效果，為創(chuàng)新教育與專業(yè)教育融合之課程體系建設(shè)提供了有益的借鑒。

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基金項(xiàng)目：科技部創(chuàng)新方法工作專項(xiàng)“河南省創(chuàng)新方法推廣應(yīng)用與示范 ”，項(xiàng)目編號：2019IM010400。

作者簡介：趙慧君（1972-），女，中原工學(xué)院副教授，主要研究方向?yàn)闊o機(jī)非金屬材料和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育。