基于TRIZ創(chuàng)新理論的教學(xué)模式在機(jī)械類(lèi)CAD/CAM/CAE教學(xué)中的應(yīng)用
——以山東華宇工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院為例

姜利華

(山東華宇工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，山東 德州 253034)

隨著現(xiàn)代機(jī)械行業(yè)的快速發(fā)展，機(jī)械類(lèi)人才不僅要具備堅(jiān)實(shí)的專(zhuān)業(yè)應(yīng)用能力，還要熟練掌握相關(guān)的英語(yǔ)和計(jì)算機(jī)知識(shí)，具有較高的創(chuàng)新能力[1]。現(xiàn)階段，機(jī)械類(lèi)工作主要包括設(shè)計(jì)、生產(chǎn)管理、工藝、設(shè)備操作與維護(hù)等崗位，其中大部分崗位要求學(xué)生具備良好的CAD/CAM/CAE應(yīng)用能力，能夠通過(guò)CAD/CAM/CAE準(zhǔn)確高效地完成工作[2]。

1 CAD/CAM/CAE教學(xué)中的主要問(wèn)題

CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))/CAM(計(jì)算機(jī)輔助制造)/CAE(計(jì)算機(jī)輔助工程)是機(jī)械專(zhuān)業(yè)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，其中的二維CAD機(jī)械設(shè)計(jì)模塊教學(xué)主要是指導(dǎo)學(xué)生在計(jì)算機(jī)上通過(guò)相應(yīng)的繪圖軟件快速準(zhǔn)確完成機(jī)械圖紙的繪制，CAD/CAM/CAE綜合模塊教學(xué)主要是對(duì)學(xué)生的三維造型機(jī)械設(shè)計(jì)與裝配、分析和加工自動(dòng)編程、工程應(yīng)用等能力進(jìn)行培養(yǎng)與鍛煉。CAD/CAM/CAE教學(xué)可培養(yǎng)學(xué)生的三維設(shè)計(jì)能力，同時(shí)可提高學(xué)生在機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械繪圖及機(jī)械制造工藝等方面的綜合運(yùn)用能力，教學(xué)效果良好，但缺乏對(duì)學(xué)生創(chuàng)新活動(dòng)的理論指導(dǎo)，難以充分發(fā)揮學(xué)生的創(chuàng)新能力。此外，CAD/CAM/CAE教學(xué)中工程實(shí)訓(xùn)內(nèi)容不足，不能對(duì)學(xué)生的工程實(shí)踐能力進(jìn)行充分鍛煉。

CAD/CAM/CAE教學(xué)中的主要問(wèn)題可歸結(jié)為教與學(xué)、學(xué)與用這兩方面。教與學(xué)問(wèn)題是未將CAD/CAM/CAE教學(xué)與專(zhuān)業(yè)課程進(jìn)行深入聯(lián)系，亦忽略了對(duì)學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。學(xué)與用問(wèn)題是指學(xué)生在CAD/CAM/CAE學(xué)習(xí)中難以找到解決問(wèn)題的創(chuàng)新思路與方法。在改革前的CAD/CAM/CAE教學(xué)中，未能將教、學(xué)、用緊密結(jié)合，影響了學(xué)生創(chuàng)新與實(shí)踐能力的提高。

2 基于TRIZ創(chuàng)新理論的CAD/CAM/CAE教學(xué)改革

2.1 TRIZ創(chuàng)新理論

TRIZ創(chuàng)新理論源于原蘇聯(lián)發(fā)明家根里奇·阿奇舒勒1946年提出的發(fā)明問(wèn)題解決理論，其目的是研究人類(lèi)在進(jìn)行發(fā)明創(chuàng)造、解決技術(shù)難題過(guò)程中所遵循的科學(xué)原理、方法與規(guī)律，其核心是創(chuàng)造性問(wèn)題的解決理論和方法[3]。TRIZ創(chuàng)新理論中包括組合原理、分割原理、局部?jī)?yōu)化原理、非對(duì)稱(chēng)性原理、求逆原理與預(yù)操作原理等40條創(chuàng)新原理，單獨(dú)或組合使用該創(chuàng)新原理可為創(chuàng)新解決問(wèn)題提供理論指導(dǎo)[4-5]。

2.2 基于TRIZ創(chuàng)新理論的教學(xué)改革

TRIZ創(chuàng)新理論在教學(xué)中的應(yīng)用核心是通過(guò)TRIZ對(duì)教學(xué)中的問(wèn)題進(jìn)行創(chuàng)造性地解決，基于TRIZ創(chuàng)新理論的教學(xué)改革路線是將教學(xué)中的主要問(wèn)題轉(zhuǎn)化為T(mén)RIZ問(wèn)題模型，應(yīng)用TRIZ工具得到創(chuàng)新解答，并將創(chuàng)新解答運(yùn)用于教學(xué)改革，進(jìn)而得出創(chuàng)新性解決問(wèn)題的方案。

3 應(yīng)用TRIZ創(chuàng)新理論解決CAD/CAM/CAE教學(xué)中的問(wèn)題

為提高學(xué)生的創(chuàng)新與實(shí)踐能力，在CAD/CAM/CAE教學(xué)中將教、學(xué)、用進(jìn)行緊密結(jié)合，基于TRIZ創(chuàng)新理論對(duì)CAD/CAM/CAE教學(xué)的課程體系、教學(xué)組織形式、教學(xué)內(nèi)容、實(shí)踐環(huán)節(jié)、教學(xué)手段和考核方式等各環(huán)節(jié)進(jìn)行創(chuàng)新解決，并提出解決方案，如表1所示。

4 CAD/CAM/CAE課程體系改革

4.1 課程教學(xué)內(nèi)容改革

課程教學(xué)內(nèi)容改革是指通過(guò)重新安排專(zhuān)業(yè)課程與設(shè)計(jì)部分教學(xué)內(nèi)容，將專(zhuān)業(yè)課程與CAD/CAM/CAE教學(xué)進(jìn)行緊密結(jié)合，強(qiáng)化對(duì)學(xué)生創(chuàng)新、實(shí)踐與應(yīng)用能力的培養(yǎng)。課程教學(xué)內(nèi)容改革主要體現(xiàn)在以下幾方面：

(1)將3D數(shù)字模型引入機(jī)械制圖類(lèi)課程中。為提高學(xué)生對(duì)機(jī)械制圖課程中相貫線、投影關(guān)系等重難點(diǎn)的理解，可在課程中引入3D數(shù)字模型，以培養(yǎng)學(xué)生的空間想象能力為目的，通過(guò)不同視角剖析圖形要素，展現(xiàn)3D數(shù)字模型內(nèi)部的結(jié)構(gòu)形狀，促進(jìn)學(xué)生掌握機(jī)械制圖中的知識(shí)點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的讀圖能力，加深學(xué)生對(duì)知識(shí)難點(diǎn)的理解，提高學(xué)習(xí)效率。

(2)將CAM教學(xué)案例引入數(shù)控技術(shù)、機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)等課程中。通過(guò)采取CAM教學(xué)案例結(jié)合專(zhuān)業(yè)課程的方式，學(xué)生可自行設(shè)計(jì)數(shù)字模型，在3D打印機(jī)、數(shù)控機(jī)床等方面進(jìn)行創(chuàng)意制作，提升學(xué)生的創(chuàng)新、應(yīng)用及實(shí)踐能力。

表1 CAD/CAM/CAE教學(xué)問(wèn)題解決方案(基于TRIZ創(chuàng)新理論)Tab.1 Solution of CAD/CAM/CAE teaching problems (Based on TRIZ innovation theory)

(3)將CAE教學(xué)案例引入機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理和力學(xué)等課程中。例如，將CAE應(yīng)用于力學(xué)分析中，對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)部件的應(yīng)力進(jìn)行求解；將CAD/CAE軟件應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理課程中的運(yùn)動(dòng)分析，通過(guò)運(yùn)動(dòng)仿真分析進(jìn)行求解。在教學(xué)中將專(zhuān)業(yè)課程與CAD/CAM/CAE教學(xué)進(jìn)行緊密結(jié)合，使教學(xué)過(guò)程更接近現(xiàn)代工程設(shè)計(jì)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與動(dòng)力。

(4)在課外指導(dǎo)、畢業(yè)設(shè)計(jì)與機(jī)械比賽等活動(dòng)中

培養(yǎng)學(xué)生的CAD/CAM/CAE應(yīng)用與創(chuàng)新能力。在活動(dòng)期間，鼓勵(lì)學(xué)生應(yīng)用CAD/CAM/CAE軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，為學(xué)生完成項(xiàng)目提供指導(dǎo)培訓(xùn)，強(qiáng)化學(xué)生的CAD/CAM/CAE綜合應(yīng)用能力。

4.2 教學(xué)組織形式改革

改革前的CAD/CAM/CAE教學(xué)以課題教學(xué)為主要教學(xué)形式，其他教學(xué)形式應(yīng)用情況不佳。改革后的CAD/CAM/CAE教學(xué)仍以課題教學(xué)為主，但更注重課外指導(dǎo)與學(xué)生自主學(xué)習(xí)。課外指導(dǎo)主要通過(guò)第二課堂與興趣小組進(jìn)行教學(xué)，以學(xué)生的興趣特點(diǎn)與學(xué)習(xí)需求為依據(jù)，講解機(jī)械專(zhuān)題問(wèn)題與項(xiàng)目技術(shù)，可對(duì)學(xué)習(xí)中的共性問(wèn)題進(jìn)行解決。學(xué)生自主學(xué)習(xí)主要通過(guò)個(gè)人與興趣小組等形式來(lái)進(jìn)行，以自主的形式對(duì)機(jī)械類(lèi)項(xiàng)目與問(wèn)題進(jìn)行學(xué)習(xí)討論，教師進(jìn)行旁聽(tīng)與指導(dǎo)，可對(duì)學(xué)習(xí)中的個(gè)性問(wèn)題進(jìn)行解決。通過(guò)改革教學(xué)組織形式，可提高學(xué)生的機(jī)械創(chuàng)新與應(yīng)用能力和學(xué)習(xí)興趣。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)機(jī)械類(lèi)CAD/CAM/CAE教學(xué)中的主要問(wèn)題進(jìn)行分析，將TRIZ創(chuàng)新理論應(yīng)用于教學(xué)改革中，對(duì)CAD/CAM/CAE教學(xué)中的問(wèn)題進(jìn)行解決，并在山東華宇工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院中的CAD/CAM/CAE相關(guān)課程中實(shí)施教學(xué)改革。結(jié)果表明：在CAD/CAM/CAE教學(xué)中應(yīng)用TRIZ創(chuàng)新理論教學(xué)模式可提高學(xué)生的專(zhuān)業(yè)能力和對(duì)CAD/CAM/CAE進(jìn)行應(yīng)用與實(shí)踐的能力，為學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供科學(xué)的理論指導(dǎo)。在加強(qiáng)學(xué)習(xí)專(zhuān)業(yè)技能與知識(shí)的同時(shí)，要將TRIZ創(chuàng)新理論貫穿于學(xué)生的創(chuàng)新設(shè)計(jì)、工程應(yīng)用等各教學(xué)階段與基礎(chǔ)訓(xùn)練中。