基于TRIZ理論的工程訓練教學改革探索

陶來華　李增芳　陳楠　沈恬逸　葉珂語

摘 要：以新工科教育理念為指導，基于TRIZ理論構建了“理、實、賽”融合與“通、專、創”并舉的工程訓練課程體系，進行“課賽結合、虛實結合、學用結合”PBL教學模式的探索。根據工程項目形式重構教學內容，以虛實、學用相結合方式創新實踐教學方法，并依托工程訓練支撐平臺完成創新作品的構思、設計與制作。實踐證明新的工程訓練教學體系有效激發學生的學習興趣，提升學生的工程素養和創新創業能力。

關鍵詞：工程訓練 TRIZ理論 創新實踐 人才培養

中圖分類號：F240? 文獻標識碼：A

文章編號：1004-4914（2024）02-211-03

一、引言

工程訓練是面向高等院校學生開展的與工程意識、工程技能、工程素質以及工程創新能力培養相關的一系列實踐活動，是高校工程訓練中心的核心業務，其教育理念、育人體系和質量直接影響著教學目標達成和工程訓練中心發展[1]。教育部重塑“新工科”建設構想，在新理念、新結構、新模式、新質量和新體系5個方面對工程教育提出了新要求，強調人才培養模式改革的重點是強化多方協同育人、多學科交叉融合、創新創業能力、個性化等方面的建設；培養一批具有創新創業能力、跨界整合能力、高素質的學科交叉復合型卓越工程科技人才，其中創新是新工科建設的重要特征，強調高校要充分利用資源優勢，加快構建大學生工程訓練創新平臺[2-3]。

目前工程訓練教學過程依然存在著諸多問題，比較典型的有工程訓練教學不能很好滿足新工科人才培養的需求，與國家推進新工科建設進展相比，教學改革相對滯后，在主動對接新工科人才培養上意識淡??；還有支撐新工科人才培養平臺偏弱，工程訓練中心建設也相對滯后，大部分教學設備以傳統金工、機械、電工電子為主，而機電結合、設計與工藝結合以及理工文管結合等跨學科的實驗室建設則相對較弱，未能實現智能化、數字化、網絡化的智能制造及創新性的個性化設計與制作，無法實現對學生創新思維、學科交叉、工程意識以及工程實踐能力的培養[4]；再有實踐教學模式亟待優化，傳統工程訓練體系和實踐教學模式比較老化、實踐手段單一，知識、實踐、創新與能力培養缺少深度融合，無法有效促進知識向能力的轉化，導致學生工程能力較弱，還未形成以滿足學以致用、自主學習、創新創業為主體的實踐教學模式[5]。近年來，很多高校都在圍繞新工科教育理念進行工程訓練教學體系重構研究。本文以浙江水利水電學院列入省應用型建設試點示范院校為契機，從新工科對人才培養的整體要求出發，按照知識、能力、素質協調發展的原則，以工程素質培養為核心，以工程實踐能力和創新能力達成為主線，從簡單到復雜，從一般到先進，從單一到綜合，進行多層次、多模式的實踐教學模塊建設和教學內容改革；探索基于TRIZ理論實施“課賽結合、虛實結合、學用結合”的PBL教學模式，并通過其一典型教學案列的具體實踐，驗證工程訓練教學改革的效果。

二、TRIZ理論分析

根里奇·阿奇舒勒（G.S.Altshuller）通過研究全人類近300萬件偉大的發明專利，總結這些發明的普適性與獨特性規律，并于1946年提出TRIZ——“創新性問題的解決理論”，TRIZ是基于知識體系、面向人的創新性問題解決系統化方法[6]。TRIZ汲取大量自然科學及應用工程中的成效知識，包括技術本體或環境、制度、過程及發展，是基于知識體系面向人的啟發式方法；TRIZ在問題分析中采用了普適及詳細的模型，模型的核心是系統化知識，用更好的已有知識系統化解決過程問題；創新設計過程中的沖突解決步驟是未知的，為了取得合理的創新解，往往采用虛構的理想解代替直接解，而理想解可以通過系統本體或環境資源獲取，也可以通過推理系統演化趨勢來獲取，亦TRIZ是發明問題的解決理論[7]。

TRIZ蘊含一套成型可復制的創新理論，被證實在培養創新思維和能力方面有顯著成效，是一種創新人才行之有效的培養模式，深受國內外知名企業青睞，目前已于中國航空、徐工、波音和福特等企業推廣應用。隨著國內高等教育的快速發展，伴隨著新工科教育理念對創新創業能力、跨界整合能力、高素質學科交叉復合型等人才培養要求的不斷深入，TRIZ理論逐漸在高等教育研究領域興起。作為一種新的教育方法理論，高等教育研究者正通過一系列的改革、探索和實踐，挖掘TRIZ理論與高素質人才培養的聯結點[8]。在大學生工程訓練教學中引入TRIZ理論并構建新教學模式，本文以浙江水利水電學院校工程訓練教學中學生團隊設計“無序異形物品抓取機械手”為例，使學生領悟TRIZ理論內涵原理和創新性問題的解決方法，扭轉慣性思維，切實提高創新意識、分析問題和解決問題能力[9]。

三、基于TRIZ理論工程訓練課程體系設計

工程訓練教學過程重點強調以產出為導向、注重持續改進的OBE模式，培養學生綜合工程能力為目標，構建“創新設計—數字制造—軟件控制—機電集成—樣機演示”的創新能力訓練鏈條。其與TRIZ體現創新思維、創新能力培養為內核，解決實際過程創新問題的思想高度吻合。TRIZ流程是首先定義待解決的特殊問題，然后依據TRIZ理論選取分析方法，并將特殊問題轉化為類似一般問題，再選用TRIZ解題工具得出一般性問題的解決方法，最后通過組合系統的內在聯系尋找特殊問題的解決方案。構建創新能力訓練鏈條本質上就是教學體系的設計，這與發明創造的創新性問題完全一致，出發點都是解決系統內的矛盾問題。綜上所述，基于TRIZ理論的有關解題工具，創建新的工程訓練教學體系完全可行。

工程訓練教學體系直接影響人才培養質量，不斷優化體系設計是一項待解決的特殊問題；工程訓練課程體系則是優化教學體系的重要途徑，設計符合育人目標的課程體系是解決系統問題的有力方法；教學平臺作為課程實施的支撐，建設有特色平臺是一項解決問題的有效工具；采用實踐教學、科研項目和學科競賽相結合的PBL教學模式[10]，為特殊問題提供解決方案。本文以浙江水利水電學院為例，基于TRIZ理論創建新的工程訓練課程體系如圖1所示。

四、工程訓練新教學模式實踐

基于PBL的工程訓練教學模式，以學生團隊設計“無序異形物品抓取機械手”為例，闡述TRIZ理論在工程訓練教學過程中的具體應用。

（一）明確特殊問題

機械手主要分為電動式機械手和壓力（液壓或氣壓）機械手，電動式機械手以小型輕載為主；壓力式機械手具有負載大、響應快、密封好等特點，兩者在物料分揀領域都被廣泛應用[11]。但是目前市場上的機械手抓取對象形狀和規格單一，而且配備一套比較復雜的控制系統，導致機械手的系統成本、魯棒性、復雜度等增加，難以大規模推廣，因此，在適應不同異形物品抓取的機械手領域，開發一套結構簡易功能穩定成本可控的自適應抓取機械手系統仍然是一項不小的挑戰。

（二）特殊問題一般化分析

通過深入分析特殊問題，尋找導致問題的根本原因，并將其進行一般化分析。先進行功能模型分析，創新主要取決方案設計階段所涉及到功能的具體定義。TRIZ理論的功能是一個抽象化的概念，它與用途、功效、性能等概念不同，讓學生真正理解“功能”的概念非常重要，抽象化有助于萌發新的創造思維，有利于揭露本質，尋找更理想的問題解決方案。TRIZ理論的功能分析實際上是對技術系統功能建模。學生通過查閱資料確定無序異形物品抓取機械手的功能模型如圖2所示，并明確技術系統各個構成組件的內在關聯。

學生通過理解TRIZ理論的功能分析工具并進行運用，可以把技術系統的思考轉化為對功能的思考，從而排除形式技術系統對設計思維的約束，拓寬思路搜索滿足技術系統功能要求的合理工作原理，形成新的構思。通過進一步分析設計構思，尋找技術系統組件之間相互沖突的功能，凝練解決問題的突破口和資源。無序異形物品抓取機械手系統組成部件可定義為控制模塊、視覺傳感器、機械手和異形物品，系統作用對象是異形物品?？刂颇K控制視覺傳感器識別異形物品，視覺傳感器發現目標后，將信號反饋給控制模塊，控制模塊觸發機械手工作，機械手將抓取目標異形物品。通過功能分析，可以發現要讓整個系統安全高效可靠的執行任務，要解決的問題主要集中在控制策略和機械手結構。

再進行根本原因分析，基于功能分析，依據技術問題，逐級詳盡分析帶來問題的深層次原因，找尋解決問題的突破口。技術系統中目標識別是完成精準抓取的核心，目前機器人技術基本可以根據圖像特征和形狀進行單一目標物品識別，但無法在無序多個異形物品中做到目標識別并精準抓取。機械手是進行異形物品安全穩固抓取的關鍵，目前大多機械手的抓取對象比較單一，無法滿足形狀和材質不一物品可靠抓取的需求。經過上述分析，找到問題的根本原因，也明確了要解決的問題。為達到高效無序異形物品抓取目的，需要科學合理的目標識別方案和機械手結構。

（三）問題解決方案

通過特殊問題的一般化分析，找到了問題的根本原因，明確了需要解決的任務，接下來運用TRIZ解題工具找尋問題解決方案。采用TRIZ分離方法、功能導向搜索和特殊問題轉移，對技術系統進行裁剪，整合重疊功能并裁剪重復功能組件。對目前該領域已有的成熟技術進行研究，搜索解決問題的方案，并移植一種或多種可行方案，使技術系統具備更多優越性。

目標識別策略包含顏色識別、外輪廓形狀識別、材質識別等，其中顏色識別策略無法區別兩個同色不同形狀的物品；外輪廓形狀識別策略無法做到不同顏色相同外輪廓形狀物品的區分；材質識別策略無法辨析同樣材質不同形狀的物品。因此，這些目標識別策略都無法很好達到無序異形物品抓取的高精度識別要求。通過查閱文獻[12]，基于云圖像識別的策略可滿足無序異形物品的目標識別。電動式或壓力式機械手都有兩指和多指的結構，也有柔性和剛性的材質，通過查閱文獻[13]，物品抓取采用電動式柔性三爪機械手。

（四）作品呈現及成果

運用TRIZ理論，學生團隊設計了目標識別策略和抓取機械手結構，基于云圖像識別工作原理如圖3所示，由攝像頭對目標物品的不同角度進行拍攝，采集成百上千張圖像，選用樹莓派接入云端大數據，并通過樹莓派將圖像上傳至云端，利用編寫的程序完成云端與樹莓派的數據傳輸及指令下達。識別過程中，攝像頭完成圖像捕捉，并實時將拍攝圖像上傳至云端進行比對，當在攝像識別區域范圍內有需要抓取的物品后，自動輸入圖像分析代碼到主程序，樹莓派通過運算、分析、處理，計算出所抓取物品的具體位置，最后將位置信號傳入Python程序中定量定時觸發機械手進行抓取。機械手主要由帶閉環控制的步進電機和三個鰭條效應原理設計的柔性爪。學生團隊依托工程訓練教學支撐平臺，關鍵零部件柔性爪用TPU材料通過3D打印技術實現，最后學生通過設計、裝配、調試制作了無序異形物品抓取機械手樣機，并在教師指導下順利完成物品抓取試驗。

根據浙江省大學生工程實踐與創新能力大賽、大學生機械設計競賽、大學生智能機器人創意競賽等A類學科競賽規則，指導教師圍繞作品的程序編譯、機械設計和技術文檔三個方面對學生團隊進行答疑，團隊成員各司其職也互幫互助，并通過教師針對性輔導，實現了編程實踐能力、機械創新實踐能力、文本撰寫能力、團隊合作意識等軟硬技能的培養目的。采取過程匯報、現場競賽、文本評閱相結合方式選拔優秀學生團隊參加對應的A類學科競賽，并指導學生積極申報科技項目和專利[14]。自教學改革實施三年時間，由工程訓練教師團隊指導學生參加了多項A類學科競賽，榮獲國家級獎項近4項、省級獎項近24項的優異成績；任課教師還指導學生團隊成功申報科技創新項目近9項、授權專利近8項；受益學生多達240人，約占改革試點上課學生總人數的60%。

積極創新科學合理的考核評價體系是開展“課賽結合、虛實結合、學用結合”的PBL教學模式的有力保障。利用信息化手段，制定考核評價體系，引入過程性與終結性相結合、知識技能與態度相結合、個人評價和團隊評價相結合、學生評價和教師評價相結合等考核方式；利用自主設計的競賽規則，在課程學期內舉辦學生團隊作品功能大比拼競賽，并按一定比例劃定競賽成績等級，競賽成績融入課程總成績，課賽結合、虛實結合、學用結合的教學模式貫穿于課程全過程。對學生進行全過程、多元化和綜合性的考核評價[15-16]，提高了教學質量，達到了人才培養要求。

五、結論

TRIZ理論是一門系統化的科學方法，通過學習和遵循它的內涵，能夠有效加快創新性問題的解決。工程訓練是一門培養學生綜合能力的重要課程，在TRIZ理論指導下，基于新工科教育理念，構建了“理、實、賽融合”與“通、專、創并舉”的特色工程訓練系列課程體系，提出了“課賽結合、虛實結合、學用結合”的PBL教學模式，逐漸從傳統的“師徒傳幫帶”實踐教學法向“教學做評賽一體化”教學方式轉變，通過實踐探索，取得了豐碩的育人成果，學生的學習主動性和跨學科知識整合能力顯著提升，同時創新意識、價值觀、分析問題以及解決問題的能力也得到很好鍛煉，達到了預期人才培養目標，也為同類院校工程訓練教學體系改革提供理論參考。

[基金項目：浙江省高校實驗室工作研究項目“新工科視閥下的工程訓練實踐教學體系研究”（YB202260）；浙江省普通本科高?！笆奈濉钡谝慌虒W改革項目“基于新工科的工程訓練跨學科人才培養體系改革與實踐”（jg20220641）；浙江省高等教育學會高等教育研究課題“基于新工科的工程訓練實踐教學體系改革與實踐”（KT2023390）]

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［作者簡介：陶來華，博士，實驗師，研究方向：機電系統創新設計、機械設計制造實踐教學與實驗室管理研究。］

（責編：賈偉）