TRIZ機械創(chuàng)新設(shè)計方法的教學軟件設(shè)計

邊義祥 丁 淵

（揚州大學 機械工程學院，揚州 225127）

TRIZ機械創(chuàng)新設(shè)計方法的教學軟件設(shè)計

邊義祥 丁 淵

（揚州大學 機械工程學院，揚州 225127）

TRIZ創(chuàng)新理論和創(chuàng)新方法是機械創(chuàng)新設(shè)計本科教程的重要組成部分。為了提高教學效率，將TRIZ理論中的39個工程參數(shù)、40個發(fā)明原理和創(chuàng)新問題的求解過程編成計算機教學軟件，主要包括數(shù)據(jù)初始化模塊、創(chuàng)新對象選擇模塊、技術(shù)矛盾解決模塊(TRIZ分析模塊)、解決方案輸出模塊等內(nèi)容。教學實踐表明，學生使用這一軟件能夠較快地掌握TRIZ創(chuàng)新理論和方法。

機械創(chuàng)新設(shè)計 TRIZ 創(chuàng)新方法 教學軟件

創(chuàng)新是人類文明進步的原始動力，是技術(shù)進步、經(jīng)濟發(fā)展的原動機。在人類發(fā)展過程中，創(chuàng)新起到了決定性作用。近年來，我國的機械產(chǎn)業(yè)取得了長足發(fā)展。但是，和世界發(fā)達國建相比，還有很大差距。利用機械創(chuàng)新設(shè)計，一方面可以促進我國機械產(chǎn)業(yè)更快發(fā)展；另一方面，也能快速提升我國的設(shè)計能力，縮短和發(fā)達國家的差距。機械創(chuàng)新設(shè)計是指充分發(fā)揮機械設(shè)計人員的創(chuàng)造性思維，利用原有的機械及其他學科的基礎(chǔ)知識，進行具有創(chuàng)新性的構(gòu)思，設(shè)計出具有實用性、創(chuàng)造性以及新穎性的機構(gòu)或機械產(chǎn)品。在大學階段，必須在大學本科生的課程學習過程中，加強其機械創(chuàng)新設(shè)計能力的培養(yǎng)和鍛煉，使學生畢業(yè)時能夠具有基本的機械創(chuàng)新設(shè)計基礎(chǔ)知識和一定的機械創(chuàng)新設(shè)計能力，以適應未來的機械創(chuàng)新設(shè)計工作。

在《機械創(chuàng)新設(shè)計》的課堂教學過程中，教材中涉及的機械創(chuàng)新設(shè)計方法較多。但是，大部分創(chuàng)新設(shè)計方法的教學可操作性不強，無法對學生進行切實可行的實際訓練，教學效果也不太理想。針對這一問題，將國際上通用的TRIZ創(chuàng)新理論和創(chuàng)新設(shè)計方法編成計算機軟件，可以針對某一具體的機械設(shè)計問題，通過該軟件對學生進行機械創(chuàng)新設(shè)計訓練[1]。這種教學方式更為直觀，學生參與意識較強，教學效率和教學效果較好[2-3]?，F(xiàn)有的商業(yè)化TRIZ創(chuàng)新設(shè)計軟件，價格較為昂貴，且如果要能熟練運用，需要較長時間的專業(yè)培訓，不太適合普通本科機械專業(yè)的教學使用[4]。

本文在多年TRIZ創(chuàng)新設(shè)計教學實踐的基礎(chǔ)上，運用計算機技術(shù)，將TRIZ創(chuàng)新方法的基本內(nèi)容編寫成一個創(chuàng)新設(shè)計教學軟件，并應用于機械設(shè)計專業(yè)的機械創(chuàng)新設(shè)計教學中，獲得了良好的教學效果。

1 TRIZ理論

TRIZ是“發(fā)明問題解決理論”的俄文詞頭縮寫，全稱為Theory of Inventive Problems Solving，是前蘇聯(lián)著名科學家Genrich S. Altshuller領(lǐng)導的專門研究機構(gòu)，在分析當時世界近250萬件具有較高水平的發(fā)明專利的基礎(chǔ)上，綜合多個學科領(lǐng)域的科學原理和科學法則，提出的一套有關(guān)創(chuàng)新發(fā)明的理論體系。該理論揭示了不同學科的科研人員在進行創(chuàng)新發(fā)明時，都應該遵循的普遍的客觀規(guī)律和方法[5]。

TRIZ理論認為，科研人員在不同領(lǐng)域的創(chuàng)新活動中所用到的原理和方法并不多。不同時期、不同領(lǐng)域的創(chuàng)造發(fā)明，可以反復利用相同的基本原理。來自數(shù)學、化學、物理以及不同的工程領(lǐng)域的基本原理，經(jīng)過融合后形成新的創(chuàng)新原理，并可以被反復應用于不同領(lǐng)域的創(chuàng)造發(fā)明。在一個科學領(lǐng)域中發(fā)生在創(chuàng)新設(shè)計中的沖突以及此沖突的解決原理，也可以在其他科學領(lǐng)域中稍加改變后加以應用。在某一個科學領(lǐng)域中發(fā)現(xiàn)的新原理、技術(shù)系統(tǒng)的發(fā)展模式，在不同的科學領(lǐng)域可能交替出現(xiàn)。解決某一領(lǐng)域的具體創(chuàng)新設(shè)計的科學原理，也可能是屬于其他領(lǐng)域的科學原理。

TRIZ理論和創(chuàng)新方法，是一套具有系統(tǒng)性、基于科學知識的創(chuàng)新方法體系，包括創(chuàng)新性思維方式、分析問題的具體工具以及基于科學知識的解決創(chuàng)新問題的工具等[6]。具體內(nèi)容包括：技術(shù)系統(tǒng)中八大進化原理、最終產(chǎn)生理想解的途徑、40條發(fā)明創(chuàng)新原理、39個具體工程參數(shù)及由此組成的矛盾矩陣、物理矛盾和四大解決矛盾的分離原理、物-場理論模型分析、創(chuàng)新問題的標準解、發(fā)明問題解決算法、所產(chǎn)生的科學效應和基礎(chǔ)知識庫等[7]。

對于具體的創(chuàng)新設(shè)計問題，基于TRIZ理論的求解過程，如圖1所示，即首先對具體創(chuàng)新設(shè)計中遇到的矛盾問題進行詳細分析，將已知的基礎(chǔ)條件、受到的相關(guān)約束和最終要得到的最優(yōu)解，用TRIZ理論中的39個具體的工程參數(shù)表示。這樣就可以將具體的創(chuàng)新設(shè)計問題轉(zhuǎn)化成TRIZ理論中的標準問題。然后，再運用TRIZ理論中的40個發(fā)明原理求解這個標準問題，得到這一問題的標準解。最后，再運用這一科學領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識、相關(guān)原理和知識，將標準解轉(zhuǎn)化成針對這一具體創(chuàng)新設(shè)計問題的解決方案，從而得到最終的設(shè)計方案。

圖1 基于TRIZ理論的求解過程

2 機械創(chuàng)新設(shè)計軟件設(shè)計

將TRIZ理論和信息技術(shù)相結(jié)合，用計算機軟件實現(xiàn)TRIZ機械創(chuàng)新設(shè)計方法，可以在創(chuàng)新思維思考階段將思維過程用標準化方法和步驟實施。大學生也可以通過此教學軟件，快速掌握TRIZ創(chuàng)新理論和方法。

2.1 系統(tǒng)流程圖

該教學軟件系統(tǒng)的流程圖，如圖2所示。在進入本系統(tǒng)后，首先經(jīng)過分析，用TRIZ理論的觀點確定問題。因為只有確定了待研究的問題，才能繼續(xù)尋找具體的研究對象，發(fā)現(xiàn)創(chuàng)新問題的矛盾所在。待研究問題確定后，進入研究對象的選擇模塊。選擇合適的設(shè)計對象后，進入TRIZ分析模塊進行設(shè)計對象的功能分析，確定研究對象中是否存在矛盾。若存在矛盾，則進入TRIZ理論的發(fā)明原理解決模塊，并提出合適的解決方案；若不存在矛盾，則直接提出設(shè)計方案。然后，對提出的方案進行評價選擇。如果不滿意，則回到功能分析階段重新開始；若產(chǎn)生的方案可行，則輸出產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計方案。方案的輸出，直接存入問題解決事例庫。

圖2 軟件流場圖

2.2 系統(tǒng)模塊

機械創(chuàng)新設(shè)計教學軟件系統(tǒng)由登陸模塊、數(shù)據(jù)初始化模塊、創(chuàng)新對象選擇模塊、技術(shù)矛盾解決模塊（TRIZ分析模塊）、解決方案輸出模塊等組成。其中，登錄模塊主要是用戶權(quán)限管理模塊。數(shù)據(jù)初始化模塊是把需要的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，以方便程序運行時調(diào)用。系統(tǒng)中用到的數(shù)據(jù)主要是工程參數(shù)解釋、發(fā)明原理解釋、原理應用實例等。為了數(shù)據(jù)庫建立以及程序調(diào)用的方便，將所需數(shù)據(jù)表建在同一個“發(fā)明原理”數(shù)據(jù)庫中。

TRIZ分析模塊是系統(tǒng)的另一個重要部分。該模塊主要通過矛盾解決矩陣，分析選擇出來的對象中存在的矛盾，解決創(chuàng)新設(shè)計中“如何做”的問題，從而實現(xiàn)機械部件、系統(tǒng)的創(chuàng)新。確定創(chuàng)新設(shè)計對象后，進行功能分析并確定優(yōu)化參數(shù)、惡化參數(shù)。此時，在軟件系統(tǒng)中，首先選擇相應的參數(shù)。如果對有的參數(shù)不熟悉，可以進行簡明意義查詢。其次，根據(jù)矛盾矩陣表的數(shù)據(jù)，得出推薦的TRIZ發(fā)明原理。該步驟也可以進行發(fā)明原理的意義查詢。再次，可以看到相應發(fā)明原理的應用實例，從中得到啟發(fā)。最后是一些已經(jīng)解決了的問題的紀錄，可以查詢、修改及刪除，并且可以將剛解決問題的新記錄添加到數(shù)據(jù)庫。

技術(shù)矛盾解決模塊可以與創(chuàng)新對象選擇模塊組合使用，也可以單獨使用。對于問題比較復雜、不能清楚確定產(chǎn)品創(chuàng)新研究對象時，需要應用創(chuàng)新對象選擇模塊，為產(chǎn)品創(chuàng)新方案設(shè)計提供明確的產(chǎn)品創(chuàng)新研究對象。而當問題比較簡單、研究對象明確時，為縮短產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的時間，可以跳過創(chuàng)新對象選擇模塊，直接進行產(chǎn)品創(chuàng)新方案設(shè)計。最后的方案評價階段，也應用了前面介紹的產(chǎn)品創(chuàng)新方案的評價模型。軟件的運行界面，如圖3所示。

圖3 軟件界面

3 教學效果

機械專業(yè)大四的本科生，在學習TRIZ理論的基礎(chǔ)知識后，可以通過本教學軟件的培訓，進行機械創(chuàng)新設(shè)計的實際操作。通過近5年的教學實踐來看，機械設(shè)計及其自動化專業(yè)的本科生，經(jīng)過本軟件大約1周左右的培訓和訓練，基本能夠掌握TRIZ理論中的主要內(nèi)容，大部分能夠較熟練地運用本軟件，解決機械創(chuàng)新設(shè)計中遇到的一些較為常見的矛盾問題?？梢姡窘虒W軟件可以幫助大學生快速掌握TRIZ創(chuàng)新理論和方法，提高學生的機械創(chuàng)新設(shè)計能力和獨立工作的能力，培養(yǎng)學生的工程創(chuàng)新意識和工程創(chuàng)新實踐能力。

參考文獻

[1]汪莉.基于創(chuàng)新方法(TRIZ)的河南省高等教育教學改革研究[J].教育教學論壇，2015：156-157.

[2]張明勤，張瑞軍，何芹，等.TRIZ教學體系的探索與實踐[J].山東建筑大學學報，2013，（28）：172-175.

[3]辛明遠，王永.基于TRIZ的計算機輔助創(chuàng)新系統(tǒng)設(shè)計[J].黑河學院學報，2011，（2）：9-12.

[4]王莉靜，李建軍，尤洪嶺.培養(yǎng)創(chuàng)新能力的機械設(shè)計基礎(chǔ)課程改革[J].教學研究，2012，（35）：81-83.

[5]盧希美，張付英，張青青.基于TRIZ理論和功能分析的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計[J].機械設(shè)計與制造，2010.

[6]陳敏慧，蔣艷萍，呂建秋.TRIZ國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、存在問題及對策研究[J].科技管理研究，2015，（25）：24-27.

[7]陳紅柳，任工昌，魯麒，等.TRIZ和頭腦風暴對創(chuàng)造性思維的促進作用研究[J].機械設(shè)計與制造，2013：268-269.

Design of A Teaching Software of Mechanical Innovation Design Based on TRIZ Theory

BIAN Yixiang,DING Yuan
(College of Mechanical Engineering, YangZhou University, Yangzhou 225127)

TRIZ theory and method is an important part of undergraduate teaching of mechanical innovation design. In order to improve the teaching efficiency, the 39 engineering parameters, 40 principles of invention and innovation in the process of solving the problem of TRIZ theory were programmed in a teaching software. The software mainly include data initialization module, innovation object selection module, technical conflict resolution module, i.e. TRIZ analysis module and solution output module.

mechanical innovation, TRIZ, major in mechanical engineering, teaching software