“TRIZ+工程材料與成形技術”課程教學改革研究

賈孝偉，陳肖妹，宋衛海，李曰陽，劉明明

（山東農業工程學院，山東濟南 250199）

高校開展創新創業教育，能夠培養大學生創新意識，鍛煉其創新創業能力，提升其職業競爭力。大學生經過中小學的基礎教育和大學的專業教育，已經具備了一定的基礎知識和專業知識，思維水平和動手能力得到一定發展。在創新驅動發展戰略實施背景下，國家要求大學生必須接受創新創業教育，培養創新思維、創新意識和創新創業能力。傳統的大學教學以傳授專業課程為主，具有豐富完備的理論知識，但普遍缺少創新創業教育內容。高校教育改革的一個重要方向是將創新創業教育與專業教育結合，提高學生的創新創業能力。

1 教學現狀

工程材料與成形技術以鐵碳合金、鋼的熱處理及金屬、非金屬材料，以及材料的鑄造、焊接等加工方法為主要內容，是機械相關專業的基礎必修課程[1]。單一的工程材料相關知識、技術講授，難以激發學生對課程的興趣，難以使學生對相關技術的流程和意義產生深刻印象。為提高課程的教學質量，相關的教學研究在項目化教學和OBE 模式教學方面進行了實踐、探索[2-3]，而將該課程與創新創業教育結合起來的研究則較少。

2 教學改革措施

作為一門與生產工藝緊密相關的專業課程，工程材料與成形技術課程中涉及的技術凝結了許多創新的方法，將其與創新創業教育相結合，能使教學內容和教學深度得到有效拓展。為了將工程材料與成形技術課程與創新創業教育融合，在教學中進行了如下改革：

2.1 以TRIZ 理論作為創新教育的依托

TRIZ 理論，也被稱為發明問題解決理論，是一種根植技術中的矛盾，解決問題、發明創新的理論，是在解決技術問題、進行技術創新的基礎上發展起來的，與技術創新密切相關，被大量用于技術改進和產品設計中[4-7]。TRIZ 理論知識系統完整，有具體的理論知識指導創新，已被廣泛應用于創新教學[8-13]，且有多種相關教材，具有豐富的教學實踐和理論，適合加入專業課程，進行創新教育。

2.2 結合TRIZ 理論講解專業知識

作為一門生產技術類課程，工程材料與成形技術包含大量的技術創新，凝聚著豐富的創新方法。結合TRIZ 理論，對技術中的創新方法和意義進行講解，能夠使學生對相關技術產生深刻印象，理解它們的生產意義，提高教學內容的創新性。

2.3 翻轉課堂

因為課堂上要結合TRIZ 理論講授專業知識，學生必須在課前對TRIZ 理論進行學習。課前教師提供給學生相關學習材料，使學生提前學習TRIZ 中的發明原理和物-場模型等知識，為課堂學習做好知識準備。

3 教學改革設計

3.1 發明原理3（局部質量）與材料表面處理結合

鋼的表面淬火利用感應加熱，通過高頻交流電產生的高頻電磁場引發被處理材料表面產生高溫，冷卻后材料表層產生馬氏體組織，使材料表層硬度提高。熱化學處理是對表面淬火的加強。鋼材中含碳量不足時，單純表面淬火無法獲得高硬度的馬氏體組織，需要在淬火的過程中通過化學方式，增加表層材料中硼、碳、氮的含量。經過表面淬火和化學熱處理后的材料，表面硬度明顯提高，耐磨性和接觸疲勞強度得到提高，內部的硬度較低，同時保持了良好的韌性和彎曲疲勞強度。兩種熱處理方式使被處理材料原本均勻的組織變得不均勻，材料具有了內柔外剛的優良性能。TRIZ理論發明原理3 是打破物體結構的均一性，將材料表面熱處理工藝與發明原理3 結合講授，學生在掌握材料表面熱處理工藝和發明原理的同時，對表面熱處理有了更深刻的認識，對發明原理也具有了更具體的認識。

3.2 發明原理22（變害為利）與易切削鋼結合

鋼材中通常含有一定量的硫、磷等成分，它們的存在會使鋼材在特殊狀態下出現開裂現象，降低了鋼材的強度和可加工性。因為硫、磷等成分能夠降低鋼材的強度，而鋼材強度降低能夠提高鋼材的切削性能。在鋼材中加入硫、磷等元素，能提高鋼材的切削性能，制造出易切削的鋼材。切削完成后再處理掉材料中的硫、磷元素，提高材料強度。易切削鋼將硫、磷對鋼材的危害轉變為優勢，是變害為利的典型工程案例。發明原理22 是變害為利，將其與易切削鋼結合講授，使學生了解工程材料的研發思路，對發明原理也能有更深入的了解。

3.3 發明原理35（物理/化學狀態變化）與粉末冶金結合

傳統的金屬材料加工方式需要進行較多的切削加工，需要使用硬度高于被加工件硬度的刀具。硬質合金為高熔點高硬度碳化物，傳統的金屬材料冶煉和加工方式難以對其進行加工。粉末冶金可以直接生產出較高精度的工件，減少后期的加工，尤其適用于硬質合金加工。采用粉末冶金制備硬質合金，將高熔點碳化物制備成粉末，進行成型、燒制，能夠獲得性能優良的高精度硬質合金工件，再進行精加工。粉末冶金的高精度成型提高了硬質合金的加工性能，能夠降低生產難度、生產成本。發明原理35 是通過改變材料的物理狀態進行創新，將其與粉末冶金結合講授，能夠使學生對粉末冶金和發明原理有更具體和深刻的印象。

3.4 發明原理40 和復合材料結合

復合材料是一種重要的新型工程材料，由基體與增強相組成，且兩者有明顯的分界面，比普通材料具有更好的性能。將發明原理40 與工程材料中的復合材料結合講授，可以讓學生認識多種復合材料，并了解復合材料在技術創新中的作用。

3.5 物-場分析與加工工藝結合

焊接是一種重要的材料成型技術，通常將焊槍與被焊接件連到電源的兩極，當焊絲與被焊接件之間距離較小時，焊絲與焊件之間會出現高壓電場，電場導致空氣電離產生高溫等離子場，融化焊絲進行焊接。當焊絲與焊件之間電場電壓過高時會出現較大的電弧，電弧將對焊接質量、生產安全造成危害。埋弧焊是一種工藝，能將電弧消除。埋弧焊操作時，焊劑蓋住焊絲、焊件接觸區，當電弧產生時，焊劑蓋滅電弧，焊劑蓋住電弧，就可以提高焊接電壓、焊接效率，焊劑對焊接區的保溫作用，也能提高焊接質量。普通焊接系統由焊絲、焊件和高溫等離子場構成一個有效完整的物-場模型，當電壓過高產生電弧時，普通焊接系統成為有害效應的完整物-場模型。埋弧焊引入第3 種物質焊劑來阻止電弧的有害作用，形成一個包括3 個物、1 種場的物-場模型。其他先進焊接方法，如電子束焊和激光焊，則通過改變場的類型，加強物-場模型的功能。

熱處理中正火、退火、淬火的不同之處在于改變了物-場模型的結構。正火和退火都使用空氣冷卻，不同之處在于，正火只有空氣、工件和溫度場，退火為了保溫，選擇隨爐冷卻，在空氣、工件和溫度場三者外引入爐體和爐體形成的機械場進行保溫。而淬火為了快速降溫將空氣改為其他介質，提高物-場模型的功能。

結合物-場分析，給學生講解焊接和熱處理，能夠使學生深刻了解兩種工藝的特點，并對物-場分析產生直觀的認識。

4 考核方法設計

工程材料與成形技術課程考核，除了考查學生對專業知識的把握程度，還結合課堂內容，在課程作業和期末考試中設置題目，要求學生分析相關技術的生產意義，以及其中包含的創新方法，并設置部分模擬實際應用場景的題目，要求學生選擇合適的材料和加工方法完成相關任務。

5 結語

將工程材料與成形技術課程融入創新創業教育的教學改革措施包括：（1）要求學生根據教師提供的教學資料，在接受專業知識教育之前，提前學習TRIZ 理論，以開展創新教育，提高學生的專業知識，培養學生的創新能力；（2）為保證專業教學和創新創業教學的質量，結合TRIZ 理論講授與課程相關的技術，使兩種知識互為補充；（3）注重考查學生對專業知識和創新方法的運用能力，提高學生學以致用的專業能力。在“TRIZ+工程材料與成形技術”課程教學改革實踐過程中，學生的學習興趣得到提高，過程性和期終考核表現較為理想，教學改革有效促進了課程教學效果的提高。