TRIZ理论在机械原理实验教学中的应用研究

摘  要：机械原理课程是机械类专业的一门重要技术基础课，该课程的实验部分是非常重要的实践性教学环节。目前机械原理课程实验普遍存在课时较少、设计性实验项目不足等问题，这和提高学生的创新实践等能力存在明显的矛盾。文章使用发明问题解决理论（TRIZ）对上述矛盾进行技术冲突分析，得到分割、反向和参数变化三个推荐的发明原理，随后对其进行详细的分析并找到诸如进行内容、授课和时间分割的实现方案;引入Creo、Matlab等软件进行学习和扩展完成反向和参数变化的实现方案。通过上述方案在机械原理课程实验教学改革实践中应用，能够有效地提高学生的综合分析能力和创新实践能力。

关键词：机械原理课程;实验教学;TRIZ理论;冲突分析

中图分类号：TH111      文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2022）22-0144-04

Abstract： The course of Mechanical Theory is an important technical basic course for mechanical majors. The experiment part of the course is a very important practical teaching link. At present， there are many problems in the experiment of mechanical theory course， such as less class hours and insufficient design experimental projects， which is in obvious contradiction with improving students' ability of innovation and practice. In this paper， the technical conflict of the above contradiction is analyzed by using the Theory of Inventive Problem Solving （TRIZ）， and three recommended invention principles of segmentation， reverse and parameter change are obtained. Then， it is analyzed in detail. The implementation scheme of segmentation such as content， teaching and time-division is found; based on the introduction of Creo， Matlab and other software for learning and expansion， the implementation scheme of reverse and parameter change is completed. Through the application of the above scheme in the experimental teaching reform of mechanical theory course， students' comprehensive analytical ability and innovative practical ability can be effectively improved.

Keywords： the course of Mechanical Theory; experimental teaching; TRIZ theory; conflict analysis

近年来，我国新工科建设和工程教育专业认证工作快速推进，机械类专业人才培养任务也越来越重。2019年4月教育部发布《关于实施一流本科专业建设“双万计划”的通知》，明确指出着力提升学生解决复杂工程问题的能力，注重综合性项目训练[1]。机械原理课程是机械类专业一门重要的专业基础课，是连接基础课与专业课之间的桥梁，主要培养学生掌握各种机构和机器所具有的一般共性知识，掌握一些常用机构的性能和设计方法并具有初步的机械系统方案的设计能力，该课程为学生毕业后从事有关机械方面的设计、制造、开发及研究工作奠定重要的基础[2]。机械原理课程的实践性很强，该课程实验亦是重要的实践性教学环节，与理论教学有密切的联系，可以很好地加深和巩固课堂理论教学中的某些抽象概念和原理，有效开拓学生的思维并且训练学生的动手能力、综合分析问题能力和创新设计能力，对后续学习专业课程、课程实践以及毕业设计极为重要，同时对培养学生的创新思维和综合素质起着关键作用[3]。

目前机械原理实验教学普遍存在下面几个问题[4-5]：一是实验设备陈旧，部分设备已经陈旧老化，准确性、稳定性和可靠性不够，并且随着时间的推移，部分设备可能损坏，可以满足使用要求的实验台套数将减少，较难满足实验教学要求;二是实验教学方法老旧、枯燥，大部分实验都是按照实验指导书规定“按部就班”进行操作就能完成，学生的思维和行为方式都是统一的模式，此外只强调实验操作而忽视实践环节，学生的动手实践能力培养不足;三是实验内容验证性的偏多，不但限制了学生独立思考和创造的空间，而且实验报告内容基本一致，实验成绩差别不明显，体现不出学生真正的实验水平和实验能力，因此学生实验学习的热情不高。目前，机械原理课程实验教学所采用的主要解决方法是从软硬件深入使用或更新、授课方法和内容改进、实验考核方式改革等方面入手，具体可以归纳到如下几点[6-8]：一是实验室软、硬件的更新改造，如淘汰和更新实验室的陈旧设备并适当购买一些新的实验设备，或利用现有的CAD/CAE软件并结合虚拟仿真等技术，开发一些计算机虚拟仿真实验项目，这样既可以弥补实验硬件上的不足，还可以让学生随时随地进行网络虚拟实验学习，给学生提供更多的学习时间和空间;二是拓展授课方式，除了课堂讲授以外，还可以借助网络让学生进行学习，如将实验指导书、实验课件和实验设备等资源上传到教学网站上，学生可以对实验进行预习和思考，提高现场实验的效率和效果，另外还可以开放实验室，将课内实验与课外开放性实验结合起来，增加动手实践环节，如利用实验室现有条件，让学生以研究小组的形式对简单机械设备进行拆装解剖分析，了解机器的组成、结构、工作原理及各构件的运行情况，这样实验不再受固定时间限制，让有兴趣和余力的学生充分发挥自己的能力，进行一些综合性、设计性、创造性实验;三是更新教学内容，将验证性实验向综合性实验转变，比如将机构运动简图的测绘实验转化为机构运动设计及演化实验，掌握机构的基本组成和各种演化手段，调动学生研究机构知识的积极性，此外还可将实验项目内容和科研项目内容、科技竞赛内容相结合，积极将竞赛作品、科研成果向教学资源转化，从而拓宽学生的视野，提高学生对实验课程的学习兴趣;四是改革考核方式，例如可适当进行项目式考核，具体可以机构设计项目为例，让学生运用所学知识自行设计一种机构，包括方案设计、自由度计算、运动分析等，最后需要在实验室自行把设计机构拼装出来，教师据此给出实验成绩，可以很好地解决成绩差别较小的问题，从而引起学生对实验课程学习的重视，有效地提高学生实验学习的主动性和创造性。

上述各种实验教学改革措施都有利于培养和训练学生的创新实践能力，能够更好地满足现代科技发展的需要，特别是一流本科建设“双万计划”的培养要求。但是，每个学校的实际情况都不一样，实验教学改革必须立足本校的实际情况，需要仔细分析研究本校自己的情况，再去选择适合自己的措施并将其细化，才能真正有效地提高实验课程的教学效果和教学质量。本文基于上述思想，首先分析了本校机械原理课程实验教学的现状和问题，然后使用TRIZ理论得到推荐的发明原理，接着结合本校的具体情况将发明原理映射到具体的解决措施，最后将这些措施应用到机械原理实验课程教学之中，实践结果证明本教改实施方案的可行性和有效性。

一、本校机械原理实验教学现状

本校机械工程专业成立于2007年，机械原理课程实验的教学情况如下：现有的机械原理课程实验课时较少，该课程总授课为54学时，其中实验授课为8学时;课程实验设备较为陈旧，实验项目有限，之前能开设的机械原理实验项目有平面运动机构分析、机械效率测试和创新运动机构设计分析，这些项目大多为基础性、验证性实验，实验成绩区分不明显;此外，限于实验授课教师的计算机程序开发水平有限，目前未能提供网络虚拟仿真实验项目。综上所述，本校机械原理课程实验的主要问题：课时较少，项目有限，该情况和提高学生的动手能力、综合分析问题能力和创新设计能力存在着明显的矛盾。如何解决上述矛盾，找到适应于本校具体情况而且能够进行操作的解决方案，需要进行具体深入的研究分析。因此，本项目拟使用发明问题解决理论（Theory of inventive problem solving，TRIZ）来指导并解决机械原理课程实验教学中存在的上述主要矛盾。

二、TRIZ理论及应用状况

TRIZ是一整套集哲学思想、方法论和大量工具于一体的解决发明问题的理论体系和方法，能创造出系统性的创新与改善设计者思考过程的方法论，其优势就是善于解决复杂系统的各类矛盾。冲突分析是经典TRIZ中用新视角观察问题的强有力方法。TRIZ理论总结出39个系统冲突对立的工程参数，并且提炼出了解决冲突的40个发明原理，进而由39个工程参数和40个发明原理组成了TRIZ冲突矩阵，可借助TRIZ冲突矩阵来获取发明原理，然后再将该发明原理映射为现实解[9]。TRIZ理论在机械原理实验教学方面的应用较少，江帆等人利用TRIZ的矛盾冲突分析方法，完成了实验教学场地管理的问题[10]，此外还将TRIZ理论应用到实验教学的内容、方法和手段之中，引导学生在实验操作和实践过程中使用TRIZ理论解决各种问题，有效提高了机械原理实验的教学效果以及学生的创新能力[11]。

根据TRIZ理论，表现为改善一个系统特征却恶化另一个系统特征的冲突为技术冲突，技术冲突的解决过程：对一个初始的问题进行分析并提炼出要改善的通用工程参数和随之恶化的通用工程参数（两者构成技术冲突），然后利用冲突矩阵查找对应的发明原理，根据发明原理找到问题的解决方法。机械原理课程实验教学中存在的技术冲突：延长实验课时或者增加实验项目，可以提高学生的分析和创新能力。但是，从目前专业培养计划调整情况来看，机械原理课程学时数正在进一步压缩，因此相应的实验课时/项目数也在同步缩短，故实验课时/项目的减少与学生分析和创新能力的增加形成矛盾冲突。根据上述情况，参考TRIZ理论中的冲突分析方法，将“实验课时/项目数”用工程参数No.15“运动物体作用时间”来表示，将“学生创新实践能力”用工程参数No.35“适应性及多用性”来表示。因此，若以工程参数“适应性及多用性”为改善因素，以工程参数“运动物体的作用时间”为恶化因素，参考TRIZ理论提供的冲突矩阵，可得如下所示的发明原理。

技术冲突矩阵

技术冲突矩阵所推荐的发明原理具体为：1“分割”、13“反向”和35“参数变化”。

三、发明原理分析及方案获取

下面逐一分析找到发明原理的映射解。

（一）发明原理1：分割

“分割”原理的含义：将一个物体分成相互独立的部分;使物体分成容易组装及拆卸的部分;增加物体相互独立部分的程度。根据“分割”原理释义，首先对授课内容进行分割，课程的主要内容分为三大部分：机构的基本理论知识、常用机构性能及设计和机械方案设计部分。课程重要知识点包括机构运动简图绘制、机构运动分析和动力学分析，平面四杆、凸轮和齿轮机构的设计，机械系统方案设计等。根据内容分割得到的授课重点，找到实验教学的重点内容，结合现有的授课学时和实验教学设备，重构实验课程结构和内容体系。机械原理课程中的机械系统方案设计内容主要在机械原理课程设计中进行考察，因此机械原理实验课程的重点集中于前两大部分内容，即机构和机器所具有的一般共性问题和常用机构的性能及其设计方法。因此，机械原理实验教学的实验内容主要有平面运动机构分析、机械效率测试、创新运动机构设计分析三个实验项目共计10个学时。但是，本校从2018级机械工程专业的学生开始，机械原理实验授课学时压缩到8个学时。随着社会对学生创新实践能力提出更高要求的形式下，课程实验项目在实验学时减少2个学时的情况下，再次应用“分割”原理，对授课空间和授课时间也进行了分割，把原先的三个实验项目学时从10学时压缩到6学时，还增加了一个2学时传动机构创新设计分析实验项目。实验授课学时减少了但是实验项目数量却增加了，得益于对授课空间和授课时间进行了有效的分割。授课空间和时间分割的具体做法：通过网络教学等措施，将实验指导书、实验设备介绍和实验操作视频等内容提前发布给学生，利用学生平时的零碎时间可以在任何地点进行实验内容的预习，而在实验课程教学的课堂上主要进行实际操作。因此，对授课内容、空间和时间进行分割，较好地解决了实验授课学时减少而项目增加的问题，能够有效提高学生的创新实践能力。

（二）发明原理13：反向

“反向”原理的含义：将一个问题说明中所规定的操作改为相反的操作;使物体中的运动部分静止，静止部分运动;使一个物体的位置颠倒。根据“反向”原理释义，具体应用到平面运动机构分析实验中，采用反向原理推动学生自主学习。目前传统的平面机构运动分析实验中，需要在实验报告中进行机构运动简图的绘制，随后通常采用图解法进行运动分析。图解法直观明了，但是过程繁杂，精度较差，特别是对多个位置进行分析则需重复的工作量较大，过程枯燥乏味，学生学习兴趣不高，图解法现已经较难满足现代机构设计、优化的要求。因此，随着计算机技术的发展，和计算机技术密切相关的解析法应用越来越广泛，通过将实验操作和计算机技术结合起来，能够更好地培养学生使用现代计算技术解决复杂工程实践问题的能力。根据“反向”原理，详细研究了如何反向推动学生的学习措施。具体实施步骤是：首先对实验重点内容进一步分析，找出最具有代表性的实验内容，例如曲柄摇杆机构、曲柄滑块机构、凸轮轮廓曲线等的设计分析实验中，提供给学生一些基本的Creo实体模型和Matlab的M文件代码，要求学生对此自行学习并掌握这些方法，从而反向推动学生进行三维建模软件和Matlab计算软件的学习，学生通过使用计算机对上述典型机构进行设计分析，随后将设计分析结果和图解法结果进行对比，可以让学生更好地理解并掌握机构分析设计方法，熟悉现代计算机技术在本课程中的应用。根据“反向”原理实施本措施推动学生反向学习的原因：在学生对三维实体建模及Matlab的分析代码编写不熟悉的情况下，若完全让学生从头学习，要达到教学目标，不但难度大而且花费时间多，因此先提供一些典型基本机构的模型和分析代码文件给学生，可以让他们迅速学习这些技术并将这些技术应用到其他问题的解决，从而反向推动学生自主进行深入学习，使学生在实验教学中成为积极主动的参与者，增强学生掌握知识的积极性和主动性。因此，探索典型实验教学项目，在实物操作的基础上提供计算机分析模型和代码文件，反向推动学生进行自主、探索、发现的教学新模式，能够有效提高学生的创新实践能力和解决实际问题的能力。