基于TRIZ創新原理解析“政產學研用”人才培養體系與實踐
——以蘭州理工大學水利水電工程專業為例

龔成勇，何香如，韓偉，馮輝霞，樊新建

（1.蘭州理工大學能源與動力工程學院，甘肅蘭州 730050；2.蘭州現代職業學院財經商貿學院，甘肅蘭州 730300； 3.蘭州理工大學石油化工學院，甘肅蘭州 730050）

1 培養體系現狀與研究理論

1.1 培養體系現狀

蘭州理工大學水利水電工程專業是甘肅省第一個水利類本科專業，于2018年通過工程教育認證，為甘肅省一流專業，蘭州理工大學紅柳建設專業，依托甘肅省重點學科水利工程學科。2021年版培養體系按照工程教育認證所倡導的基于學習產出的教育模式（Outcomes-based Education，縮寫為OBE）理念制定。培養的學生能在水利水電工程及相關領域從事規劃、設計、施工、管理和科學研究等方面工作，是具有社會責任感、創新精神和國際視野的高級專門人才。由通識與公共基礎課、學科基礎課、專業課、創新與創業教育4類課程構成培養體系，按照授課形式劃分為理論課程、課程設計、課程實驗、專題實驗、生產實習、畢業實習、畢業設計等類別的課程。工程教育認證后近三年的建設，尤其在教學方法、實驗室建設、校企合作、師資引進、課程建設等各個方面取得優異成績。2021年版培養方案設置160學分，其中數學與自然科學類課程學分至少占總學分的15%，工程基礎類課程、專業基礎類課程與專業類課程學分至少占30%，工程實踐與畢業設計（論文）學分至少占20%。隨著新工科建設和一流專業建設推進，尤其是行業與社會需求的不斷變化，對本專業人才的需求發生變化，按照工程教育認證持續改進的要求，對本專業的培養體系進行探索和實踐，以使人才培養質量適應行業領域的需求。

1.2 課程體系建設理論

“產學研用”人才培養模式是一種集生產研發、教學科研、學用結合、校企合作的系統合作教學模式[1]。符瑛等在文獻[2]中指出“產學研用”人才培養模式在現代高校教育建設中的重要意義和作用。“政產學研用”是“產學研用”的升級版，政府對人才培養主要發揮引導和支持作用，通過制定法規及制度來保護學校、企業和科研機構的主體利益，并依托學校、企業和科研院所創立類似“眾創空間”等人才培養機構，在其職能機構主導下設立人才培養平臺，政府對人才培養的作用愈來愈凸現，與產業及企業、學校、科研機構和用戶，形成新時代創新人才培養的基本模式，稱為“政產學研用”協同創新融合機制[3]。

我校水利水電工程專業不斷探索“政產學研用”機制。在政策方面，利用甘肅省政策主持將水利工程（一級學科）建成省級重點學科，借助國家“雙萬計劃”將本專業建成甘肅省一流專業，為服務甘肅省發展規劃，人才培養面向省十大生態支柱產業，為推動黃河高質量發展，成立黃河流域水生態與水工程研究院；在產業及企業方面，專業借助行業發展需求，與中國長江三峽集團、甘肅省景泰川電力提灌水資源利用中心、甘肅省水利水電勘測設計研究院有限責任公司和大禹節水集團股份有限公司等42家水利行業的企業建立合作關系，引入行業需求，推動人才培養；在學校扶持方面，加快構建水利工程特色學科和方向，并利用學校學科優勢，與學校其他學科及專業交叉融合，將水利工程（一級學科）列為紅柳重點扶持學科，將水利水電工程專業列為紅柳建設點；在科研機構合作方面，專業與中國科學院西北生態環境資源研究院、甘肅省水利科學研究院、甘肅省農業科學院、甘肅省治沙研究所和甘肅省地質環境監測院等15家研究機構建立科研與人才培養合作，打通了科研機構與人才培養的關鍵節點；在用戶方面，動態調整人才培養目標，符合行業及企業用人需求。我校水利水電工程專業初步建立了“政產學研用”協同創新融合機制。

進一步分析“政產學研用”協同創新融合機制構成，政府營造創新人才培養環境，產業與企業向創新人才培養提出需求，學校是創新人才培養與輸出的主要基地，科研機構向創新人才培養提供實踐基地，用戶對創新成果進行檢驗。該創新機制還存在資源利用低效、人才培養目標與產業需求的契合度較低、創新師資匱乏、制度保障不足和協同能力不夠等問題，其主要原因是五個要素對創新人才培養的作用為宏觀作用，具有間接性，而直接影響人才培養的微觀作用主要來源于教學實施過程。若要達到該創新機制效果，不僅需要進一步建立深度合作機制，還需要對人才培養過程及教學環節進行剖析研究，將間接性的五個要素轉換為教學實施環節的教學要素。我校水利水電工程專業建立“政產學研用”協同創新融合機制，還需要進行教學要素層面的分析和研究，以使教學要素直接作用于人才培養體系。課程思政是當前人才培養的主要特征，對教學要素的影響和關系還需要進行更深入的研究。

課程思政要求挖掘各類專業課程蘊含的思政元素，實現價值引領與知識傳授深度融合，將思政教育貫穿于人才教育和培養全過程，解決大學生專業課與思政理論課脫節的問題[4]。構建新時代全員育人、全過程育人和全方位育人人才培養體系迫在眉睫，其要求教育不僅要從技術層面、理論層面和制度層面進行探索研究與實踐，也需要尋求滿足高度、深度和廣度的多維度教育措施、基本載體和育人路徑，以立德樹人為基本任務，逐步實現技能培養與德育素質教育目標，最終達到教育賦能。專業課程與思想政治理論課的同向同行，實現協同育人，是新時代教育體系的顯著特征。構建本專業2021年版教學培養體系，需要將課程思政作為體系建設和教學實施的主要內容。專業課程是專業技能人才培養的重要組成部分，其形式多樣、內容豐富、邏輯清晰、受眾廣泛、操作性強、潛在影響大，是課程思政建設的理想載體[5]，而偏重專業技能教育容易忽視課程思政在高質量發展中的地位和作用[6]。因此，2021年版人才培養體系既要堅持專業知識體系完整，又要強化思政元素的滲透[7]。

新時代水利專業人才培養，需要以高水平人才培養體系作為保障。而建設高水平人才培養體系，必須將思想政治工作貫通其中，抓好課程思政建設，解決好專業教育和思政教育“兩張皮”的問題[9]。強根榮等[10]提出，課程思政的基本特征是以教師隊伍為“主力軍”、課程建設為“主戰場”、課堂教學為“主渠道”，將思政教育有機融入專業課程，提升教師德育意識和育德能力。為了形成教學吸引力，應重構教材內容、提高教師素養、改進教學方法及營造外部環境[11]，構造教學評價方法，形成涵蓋內容、質量、形式、外部環境多個維度的培養體系。顯然現代教學生態本身屬于多維的泛生態學問題，植入課程思政要素，符合“政產學研用”“五位一體”協同創新模式[8]的發展需要。在培養體系中植入課程思政，依托的主體是授課教師，主要載體為專業課程，主要特征為專業課程與思想政治理論課同向同行，需要配置優質育人環境，優化教學方法，所有教學要素發生改變，教學評價隨之調整，構建課程思政人才培養體系，具有重要的應用價值和現實意義。而構建涵蓋思政元素的培養體系的難度隨教學生態維度的增加而增加，需要從不同的角度進行廣泛研究，其中建立對應的關系模型，借鑒課程思政的教學生態模型P-MULIPLY[12]研究成果，并以此構建本專業培養體系具有重要價值。

研究方法是研究的關鍵。由于教育教學的復雜度較高，可將其看作多學科的融合系統，引入解決發明問題的理論——TRIZ（theory of inventive problem solving），對其進行探索研究。該方法發源地為蘇聯[13]。TRIZ的理論基礎為技術系統的演化規律，是由蘇聯發明家Altshuller及其領導的研究員通過分析大量專利和創新案例形成的解決問題的創新性理論[14]，主要包括具體分析工具、具體應用工具、分析和解題思想及流程算法。現在已經成為十分有效的創新理論和方法體系，其基本思想為，解決矛盾是創新發明的核心。各個領域科學研究與工程實踐不斷創新，創新方法不斷被采用，基于TRIZ理論的創新系統方法不斷被推廣[15]，筆者利用TRIZ理論和思想，以我校水利水電工程專業為例，結合教育認證的理念和新時代人才培養需求，構建“政產學研用”人才培養體系，探索構建教育教學問題的技術系統問題，將其定義為類TRIZ技術系統，其基本假定為：

（1）TRIZ研究系統稱為技術系統，而教育本身屬于多維多態的復雜體系，涵蓋教育科學、人類認知行為科學、腦科學與思維方法、管理科學、信息與計算機網絡技術及其教育應用和行業領域專業知識體系化等內容。為了提高分析和解題的效率和可操作性，假定研究問題之外的技術系統是正常發揮其功能的。

（2）TRIZ對技術系統中功能的定義是較為嚴格的，而教育實施過程的動作行為對其他組件之間的功能不能苛刻要求，例如學生學習教學內容，若將其定義為技術系統的作用對象，收集、接收、理解、處理吸收、掌握最終轉換成大腦刺激與認知，教學內容在整個過程沒有發生屬性特征改變，僅僅發生傳遞，作為技術系統組件的學生并沒有改變教學內容屬性，不能滿足經典TRIZ對功能的嚴格定義F=V+O，即不可能從物理學的角度改變其物理變量或狀態。需要假定在教學中，絕大多數學生大腦結構對信息處理的能力和效率等效，學習效果僅僅受到培養體系的影響，作為類TRIZ技術系統，該培養體系忽略了學生學習能力的差異性，忽略學生在學習過程中大腦的信息處理細節。因此，類TRIZ教學技術系統的功能定義存在不足，嚴謹性不夠，技術系統的工作原理也忽略了學生大腦認知的差異。

（3）影響教與學效果的因素很多，甚至在相同的教學環境下，教學效果因評價視角及要求不同而存在差異，各教學要素相互影響，且彼此間的關系不是線性的，教學效果是多因素共同作用的結果，各教學要素對教學效果的影響是無法完全分離的，因此在利用TRIZ進行分析和解題的過程中，不考慮技術系統組件方案和解的唯一性的問題。

2 建立教與學概念模型

2.1 TRIZ功能分析模型

基于上述假定，將人才培養體系定義為類TRIZ的技術系統，稱其為教與學技術系統，為了將教與學技術系統進行普適化，將人才培養和培訓實施環節的教師及培訓師、學生及受培訓人員、教學方法、教學內容、培養體系與課程體系、教學環境媒介及平臺、教學管理及評價定義為技術系統的組件，將高等學校、政府機構和生產企業定義為超系統組件，其中將教學內容定義為作用對象，建立其系統功能分析模型，如圖1所示。

圖1 教與學技術系統功能分析模型

2.2 基礎研究探索

為了獲得有效的解決方案，主要開展如下7項工作：（1）通過問卷調查和文獻分析的方法，并引入TRIZ原因分析工具，分析系統中組件功能發揮不足的原因；（2）人才培養效果是受多要素影響的，以組件功能發揮不足的原因分析成果為基礎，將影響教學效果的原因分級和排序，分析主要原因與組件的關系，構建矛盾模型，嘗試利用TRIZ發明原理，以及TRIZ分離和組合的原理，提出解題方案，聚焦組件對教學效果的貢獻，引入多元量化的考核評價方法，分析本專業人才培養中的基礎數據，揭示教學要素對教學效果影響的基本特征和規律。在構建培養體系過程中，采用分離和組合原理，對標畢業要求，先分別對培養目標、課程體系、師資與學生、教學設施、教學方法、管理與評價措施等進行專項研究，然后從培養體系的系統角度進行融合處理。（3）引入TRIZ資源分析方法，分析影響人才培養體系的超系統組件，主要由政府機構、高等學校和生產企業三種類型組成，因對人才培養的作用和貢獻不同，主要從資源分析的角度進行研究，獲得人才能力評價與人才需求，最終獲得其超系統對人才培養的支撐關系和規律。（4）分析本專業人才培養環節，分析教師、學生、教學內容、教學方法、教學環境和教學評價等教學要素之間功能發生的方式與路徑，選擇TRIZ所產生的方案，并對照資源分析的成果，結合超系統對培養環節的作用貢獻，進一步揭示組件功能發揮不足的原因，提出整體優化的方案，方案突出該六個要素對人才培養的共同作用，進而實現人才培養環節中針對不同教學要素的量化設計，達到可操作、易調節和好控制效果。（5）由于人才培養的復雜度原因，還需要對量化設計的教學要素進行二次構造，主要研究六個要素對人才培養的功能貢獻的嵌套特征，以克服在培養體系構建過程中將各要素進行分離處理的局限性。（6）結合教與學基本規律和本專業學生達成的能力指標，將能力進行分級處理，稱其為基本能力，主要包含觀察力、判斷力、想象力、創造力、控制力、執行力和表達力7項，并將相應的基本能力與課程建立對應關系；通過課時與學生成績兩個主要指標，分析人才培養體系教學要素的量化特征，初步形成基本能力培養的對應關系，獲得各個課程培養目標。（7）利用TRIZ進化法則，分析本專業教育發展規律和趨勢，獲得7項基本能力構成的綜合能力的過程和變化規律，列出本專業人才培養發展核心特征，結合課程目標的量化研究成果，最終形成畢業要求中綜合能力的表達。

2.3 構建教學過程與能力培養模型

在上述初步結論的基礎上，建立教與學技術系統人才能力培養的演變規律模型，如圖2所示。

（1）第一維度為人才培養歷史背景，用一個正六邊形來表示，將政府機構、高等學校和生產企業三個超系統組件間隔放置于正六邊形三邊中點位置，分別通過沒有放置超系統組件邊的中點與正六邊形形心連直線，形成三個中心角為120°的等面積區域。三個超系統組件的影響范圍相等，表示初始條件下超系統組件對人才培養的貢獻，尤其是對各要素的功能完全發揮，因此人才培養背景被其平均分三個區域，分別以三個超系統組件的名稱來定義，得到三個模塊。將每個模塊對應六個屬性或特征放置在對應超系統組件的兩側，每側三項，順時針按照等間距放置。每個屬性或特征用細實線圓形框框起來，屬性或特征主要是超系統組件對人才培養的要求或對教學要素功能作用發揮的貢獻。

（2）第二維度為人才教育及培養實施環節六個教學要素的功能關系。在第一維度正六邊形內部構造方位相同的虛線正六邊形，以實線圓形框框定各教學要素。依次放置實線圓框于虛線正六邊形內部，并使其與虛線正六邊形邊相切于邊的中點。由于六個教學要素對人才培養的貢獻具有多重的嵌套特征，其要素組件之間的功能數量和類別不唯一。因此，放置六個要素不進行順序的限制。六個要素構成的正六邊形的面積表示教學要素完全達到設計狀態下的功能時，教學效果的理論數值，稱為教學要素綜合影響范圍，是教學要素設計的縱深和廣度。一定程度上，各要素的功能發揮受到各種限制條件的影響，教學要素綜合影響范圍的面積小于第一維度正六邊形的面積，同時教學要素來源于第一維度的培養背景的超系統組件，形成教學要素的過程是物質、信息、能量、空間和功能等資源被處理的過程，主要經過收集、加工、整合、優化等環節，處理的環節都有可能產生損耗。

（3）第三維度為教育與培訓效果，教學要素在人才培養過程中會對受教育對象的聽覺、視覺、嗅覺、味覺、觸覺和其他感覺器官產生刺激效果。根據前文提出的類TRIZ技術系統基本假定，教學要素從不同的角度對師生產生刺激，形成大腦認知行為，而不受大腦功能限制，其直接效果主要依賴于組件功能發揮后產生的刺激貢獻。而由于類TRIZ技術系統的不足或組件之間的不足可能造成各類刺激貢獻折減，具體表現為物質、信息、能量、空間和功能等資源被處理的過程損耗，其損耗降低了教學過程中師生的刺激聽覺、刺激視覺、刺激嗅覺、刺激味覺、刺激觸覺和刺激其他感覺對基本信息的傳輸、獲取、接收和初步處理的成效。構造出一個實線正六邊形，形心和方位與第二維度的正六邊形相同，其面積小于第二維度的正六邊形，將產生的刺激效果用細實線圓形框定，放置于其頂點。

（4）第四維度為學生基本能力形成過程，采用正七邊形位于第三維度正六邊形中心，各個頂點分別放置學生需要形成的觀察力、判斷力、想象力、創造力、控制力、執行力和表達力七種能力。

（5）第五維度為七種基本能力形成綜合能力的過程，用一個圓形置于第三維度正七邊形的中心。

（6）構建完成五個維度后，依次建立相鄰維度之間的關系。第一個維度與第二個維度的關系是教學要素來源于人才培養背景中的三個超系統組件，用直線段連接第一維度和第二維度中的圓形框，連接遵循的原則是順時針方向和相同方位的要素相連。根據分析可知，從第二維度向第三維度，描述教學要素之間功能的效應過程，其表現為師生在教學環節中的器官刺激作用，以及器官之間相互作用與支撐，用直線連接兩個維度上放置在同一方位的要素。第三維度與第四維度之間，是描述參與教學的師生器官在受到教學要素刺激后，并將其轉化為基本能力的過程，其過程是大腦形成認知能力的基礎，每一項能力的獲得需要多個器官刺激后認知共同作用，其本質是器官刺激轉化成能力，是教學組件多重作用的結果，用直線段連接器官刺激作用與基本能力。第四維度與第五維度是描述基本能力形成綜合能力的過程，該過程發生的前提條件是器官刺激作用，該過程較為復雜，具有多重性，采取依次連接匯聚的連接方式。立體空間模型如圖2所示，平面模型如圖3所示。

圖2 人才能力培養的演變規律模型

圖3 人才能力培養的演變規律關系模型

3 基于模型構建“政產學研用”人才培養體系

在工程教育認證之前，人才培養體系還存在強調傳統課程教學內容、以課堂講授式教學為主、擔心學生能力不足以參與科研項目、學科競賽主要是少數學習時間充足的學生參加、教學改革和課程建設將花費大量時間且與科研生產任務沖突較大等一系列問題。根據TRIZ分析及其所建立的人才培養能力模型可知，教育的中心任務是人才培養，教學組件要素要服務中心任務。現代教育體系屬于開放的動態化系統，需要遵循的基本原則是因材施教、因地制宜。利用類TRIZ技術系統及其能力模型，我校水利水電工程專業2021年版培養體系完成下列7項具體工作：

（1）匯總社會和行業對本專業人才能力的要求。修訂其畢業要求、課程體系、培養方案和課程大綱，修訂過程中所參考的數據來源于相關企業、高校、學會、用人單位、相關院所等機構，獲得數據的方式主要包括現場調查、座談會和調查問卷等，并分析行業發展特征和人才需求趨勢。

（2）加強課程建設。對課程進行重構建設，課程重構的內容主要包括教學大綱修訂、教學內容優化（尤其注重典型工程素材加工，增加新技術、新材料、新方法等素材）、教學方法改進升級、采用多種教學形式、引入多元的評價體系等；骨干課程全部實現了課程重構建設，水利工程地質完成示范性混合式教學建設、水力學完成雙語教學建設、水工建筑物學完成示范性項目式教學建設、水利工程施工技術與管理完成課程思政建設、水利工程制圖及CAD和水電站兩門課程均經過混合式教學和項目式教學建設，建設后水電站課程開展“專創融合”課程開發建設；同時近三年建設了結構節能設計與BIM建模基礎等4門創新課程和3門創新實驗，新開設水工結構有限元和水利大數據與水生態安全、水生態會環境修復等多門課程。同時開展包括教育部產學研協同育人項目、教育部創新方法教學指導分委會學科項目、學校教研教改及校企合作項目10余項，初步完成各類課程教學基本規律研究，具備“政產學研用”建設基本條件。

（3）加強師資隊伍建設。引進優質師資的同時，注重任課教師創新能力的培養，逐步形成骨干課程由主講教師組共同負責制、其他教師參與教學實踐環節、教師橫向相互支撐的教學師資課程群，近三年引進5名博士師資，補充教師團隊；組織教師參加教學創新培訓和創新方法認證培訓。

（4）加強學科垂直建設。形成博士-碩士-本科完整的培養體系，以學科引領專業發展、以專業支撐學科發展。結合人才培養層次需求，開展課程、實驗室及教學平臺等教學保障性建設，致力于拓展、延伸、挖掘和整合，保證教學質量。

（5）以科學研究和各類橫向生產項目為依托。在課程教學，尤其是實驗、實踐、課程設計和拓展訓練等實踐類課程教學中，以實際工程資料為素材，對照行業規范及要求，聚焦課程目標，達到“真題真做”，培養學生解決實際問題的能力。同時與相關企業簽訂人才培養合作協議，優選企業技術骨干擔任企業導師，形成科研助力和提升人才培養質量，人才培養反哺科學研究，人才培養與科研共同進步。在完成實際生產項目的同時，將科研成果和資料進行加工處理，獲得教學案例，達到教研相長的效果。

（6）加強學生實踐教學環節。全面培養學生的實踐能力，主要包括一年制畢業設計、工程設計類課程采用項目式教學、理論教學與課程設計貫穿設計與實施、增設課內實驗及實習、開發建設虛擬仿真實驗項目及平臺等手段和措施。

（7）加強學生管理，增強學生的自主學習能力。配備科研能力強、工作認真負責且擅長學生管理和組織的專業教師擔任本科生班主任；通過本科生導師制，專業教師全員上陣，引導學生規劃學業。

（8）加強學科競賽引導、指導、輔導。通過各類學科競賽為學生增加校內外學習交流機會，打破地域、專業設置約束和限制，培養并提高學生科技探索與實踐能力。形成了從大學一年級考試培訓，二年級全員參加水利創新競賽，三年級參加省級及國家級競賽的培

育體系。在我校實現創新學分認證以來，本專業前三年學生創新學分的平均值達到4.9分，反映學生知識應用能力得到一定程度的提高。培養體系教學要素對應關系模型如圖4所示。

圖4 水利水電工程專業“政產學研用”人才培養體系教學要素對應關系模型

4 結論與討論

本文以蘭州理工大學水利水電工程專業為例，嘗試使用TRIZ理論建立教與學技術系統功能分析概念模型，以該模型為引導，開展多項基礎性研究，并以其構造培養能力模型，分析其層級和維度，構造本專業的“政產學研用”人才培養體系，從培養目標、畢業要求、課程建設、師資隊伍、實驗室及平臺和管理等內容進行改革和研究，形成與類TRIZ技術系統中主要技術系統組件的對應關系，依據能力模型啟示，構建本專業培養體系，并結合能力指標對教學要素進行研究、建設、改善和實踐。本文雖然未列出TRIZ解題方案，也未對方案進行詳細說明，但將其作為分析工具和解題工具，嘗試解決教育教學及人才培養的實際問題，并取得了良好的效果，可以作為相關領域研究和應用實踐的參考和借鑒。