TRIZ理論在“水污染控制工程”課程教學中的應用初探

陳 默 于 婧 宋慧婷 江書琪 趙麗婭

（湖北大學資源與環境學院 湖北武漢 430062）

黨的十九大報告中明確提出“創新是引領發展的第一動力，是建設現代化經濟體系的戰略支撐”[1]。創新的本質意義在于創造性的發現問題并能解決問題的過程[2]。為了適應建設創新型國家的需要，高等教育人才培養模式也逐漸從傳統型向創新復合型人才轉變，為學生創造創新創業能力發展的良好環境勢在必行，課堂授課作為傳統普遍的教學方式也在朝向多元化教學模式發展，我國許多高校中已經開設了與TRIZ理論（發明問題解決理論）相關的創新課程[3]。TRIZ理論作為一種發現問題、解決問題的工具，可以在課堂授課教學中輔助學生更好地理解原理的應用及工程工藝案例剖析，鼓勵學生打破常規思維習慣的模式，培養學生善于提出問題的一種習慣意識，TRIZ理論與課堂教學的融合能進一步加強大學生創新思維、產品創新設計等能力的培養，提升課堂教學效果，達成培養目標。

一、專業及課程特點分析

環境工程專業是一門旨在改善環境質量，促進社會、經濟和環境協調發展的綜合性學科。我校環境工程專業在“生態文明建設”國家戰略指導下，形成了以黑臭水體污染治理、環境廢物資源化綜合利用和生態環境修復為核心的專業特色，重點培養適應環保產業發展與污染治理相關企業需求，能從事環境污染治理工程領域相關的工程設計、設備開發、環境管理、生態保護以及相關技術領域的高級應用型人才?！八廴究刂乒こ獭笔黔h境工程、環境科學等相關專業本科生的一門學科專業核心課，是環境科學與工程學科中具有綜合性、實踐性、時代性和創新性的一門重要的理論與方法課程[4-5]。通過對“水污染控制工程”的學習，使學生掌握污水的物理化學及生物處理方法，包括各類方法的基本理論、工藝原理、主要設計計算和常規設備的技術性能，并熟悉水處理構筑物運行和管理。培養學生分析和解決工程實際問題，并使學生具有一定的研究能力。但是在實際教學中存在原理難以解釋透徹，內容空洞及抽象化等問題，學生不易掌握知識點，也不能激發學習興趣和自主學習習慣，課堂授課效果不理想。

二、TRIZ理論簡介

TRIZ是“發明問題解決理論”由俄文轉換成拉丁文（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch， TRIZ）后的首字母縮寫，其 英 文 全 稱 是Theory of Inventive Problem Solving， 縮 寫 為TIPS，其意義為解決問題發明問題的理論[6-7]。TRIZ是前蘇聯發明家根里奇·阿奇舒勒及其領導的一批研究人員，自1946年開始，在分析研究世界各國250萬件專利的基礎上，提取專利中所蘊含的解決發明問題的原理及其規律性之后建立起來的。TRIZ理論提出功能分析、沖突分析、物質分析、理解分析和資源分析，用于問題模型的建立、分析和轉換。目前我國陸續有高校開設TRIZ理論課程，以該課程為先導課程，基于TRIZ問題的求解過程。在教學過程中，以問題為導向，融合技術沖突解決理論（40條發明原理、查矛盾矩陣求解）、物理沖突解決理論（分離原理）闡述教學內容知識點，鼓勵學生自我提問并進行研究求解，討論得出結果，探索嘗試TRIZ理論融入課堂教學的授課模式，充分發揮學生為主體的優勢，這對提高教學質量會起到重要作用。

三、TRIZ理論融入課堂教學

（一）教學內容設計

在水污染控制工程這門課教學過程中，目前存在以下一些困難：作為專業核心課程，學習內容繁多，知識量大，授課方式通常都是先講授原理、理論部分，實驗實踐課安排在理論課后面。因此，原理部分內容抽象，學生沒有接觸或者參觀實際構筑物及工藝，課程難度大，學生缺乏信心和成就感，主動性和參與性較低，導致教學效果不理想。針對課程特點及授課障礙，在TRIZ理論基礎上，應用啟發式教學，引導學生自我提問，激發學習興趣。

例如，在講解污水的物理處理這一章，先給學生介紹物理處理的原理就是去除污水中的漂浮物和懸浮物，實質上就是采用了TRIZ理論的分離原理設計構筑物阻攔水面上的漂浮物（塑料瓶、樹枝木片、果皮等）。分離原理是指將一個物體中的“干擾”部分分離出去，引導學生發散思維，大膽想象，在污水進入污水處理廠前的第一個單元中，如何來設計構筑物阻擋水中漂浮物，目的是將漂浮物與污水分離，讓污水進入第二個處理單元中，當同學們各抒己見之后，老師可以利用課件或者播放小視頻，引出“格柵”，這時讓學生重點觀察格柵的結構特點，提問“為什么格柵需要分成若干根柵條”，采用TRIZ原理中的分割原理（增加物體相互獨立部分的程度）進行設計，可以調整柵條間隙控制截流量。在這一部分的講解中引入TRIZ發明原理中的分割與分離原理，讓學生加深對這部分內容的理解。在格柵構筑物的結構設計中按形狀分為平面格柵和曲面格柵，當柵渣量大時可用機械清渣（回轉式機械清渣、鋼絲繩牽引式機械清渣等），這里可以引入TRIZ發明原理中的曲面化原理（將直線或平面轉化成曲線或曲面）和動態化原理（如果一個物體或系統是剛性的，使其變為可動或可調的）闡釋不同構型的格柵。同樣，沉砂池、沉淀池的設計都可以用上述TRIZ發明原理進行引導和闡釋。

例如，講解活性污泥法這一章，傳統的活性污泥法工藝主要由曝氣池、二次沉淀池、曝氣系統以及污泥回流系統等組成，這里可以引入TRIZ發明原理中的合并原理（依據規則，在空間上或時間上連接或合并相同的或相關聯的物體、操作或功能），舉例生活中冷熱水混合的水龍頭，讓學生在此基礎上能更容易理解活性污泥法工藝流程幾個單元執行的功能及其之間的相互聯系。引導學生思考傳統活性污泥法工藝流程的優點和缺點，著重分析缺點，即存在的問題（反應器占地面積大，供氧不均勻，在反應器前段出現耗氧速度高于供氧速度的現象，末端出現供氧速率高于需氧速率的現象）利用TRIZ理論幫助學生找到物理沖突，讓學生嘗試用TRIZ理論中物理沖突解決理論（空間分離、時間分離、基于條件的分離、整體與部分的分離）解決傳統活性污泥工藝中的技術問題；也可以鼓勵學生嘗試找到需要改善的參數和可能惡化的參數這一對矛盾，通過查找矛盾矩陣得到相應的發明原理，結合專業知識，課堂小組討論出可行的技術方案，這樣不僅深化了知識點，還增強了學生主動性。通過TRIZ理論融入本章內容教學，即可深入淺出講授漸減曝氣活性污泥法和階段曝氣活性污泥法工藝。

（二）教學效果評價改革

課程的評價應當是過程性評價與終結性評價相結合，以往課程成績都是以平時成績（占30%）和期末成績（70%）兩部分內容組成。這樣的考核形式過于注重結果而忽視了過程，不能考查學生的創新能力、實踐操作能力等，對學生知識點掌握的評價不夠具體化。依據TRIZ理論中的分割原理，課程考核方式由若干環節組成，內容及權重可以分配如下：出勤和作業（10%）+課堂參與度（10%）+小組討論（10%）+實驗完成度（20%）+期末考試成績（50%）。相比以往考核方式加大了課堂參與度、小組討論及實驗部分的環節比重，更加注重過程性考核。以往期末考試通常以紙質卷面作答為主，容易造成考試前的死記硬背，我們可以嘗試與學生進行一對一、面對面的提問作答，能提高學生口頭表達能力和隨機應變能力，提供多元化的考試方式，讓學生在平時學習過程中注重知識點的領悟和融會貫通，而不是考試前的臨時突擊，最終達到讓每一位同學盡可能的掌握本門課程重要知識點的目的。

四、結束語

水污染控制工程作為環境專業的一門重要核心課，學生掌握情況對其今后工作的發展有重要的影響。為了提高課堂教學效果，讓學生帶著問題和自己大膽的想法自愿學習這門課，是提高教學質量的關鍵。基于TRIZ創新理論，結合本門課程內容特點，對其中一些實際問題進行剖析，使得學生更清楚本門課程中污水處理構筑物及工藝流程設計的原理。基于TRIZ創新理論，探索課程考核方式改革向多元化方向發展，將有助于培養符合新時代要求的創新型復合人才。