基于TRIZ理论的工程训练教学改革探索

陶来华　李增芳　陈楠　沈恬逸　叶珂语

摘 要：以新工科教育理念为指导，基于TRIZ理论构建了“理、实、赛”融合与“通、专、创”并举的工程训练课程体系，进行“课赛结合、虚实结合、学用结合”PBL教学模式的探索。根据工程项目形式重构教学内容，以虚实、学用相结合方式创新实践教学方法，并依托工程训练支撑平台完成创新作品的构思、设计与制作。实践证明新的工程训练教学体系有效激发学生的学习兴趣，提升学生的工程素养和创新创业能力。

关键词：工程训练 TRIZ理论 创新实践 人才培养

中图分类号：F240  文献标识码：A

文章编号：1004-4914（2024）02-211-03

一、引言

工程训练是面向高等院校学生开展的与工程意识、工程技能、工程素质以及工程创新能力培养相关的一系列实践活动，是高校工程训练中心的核心业务，其教育理念、育人体系和质量直接影响着教学目标达成和工程训练中心发展[1]。教育部重塑“新工科”建设构想，在新理念、新结构、新模式、新质量和新体系5个方面对工程教育提出了新要求，强调人才培养模式改革的重点是强化多方协同育人、多学科交叉融合、创新创业能力、个性化等方面的建设；培养一批具有创新创业能力、跨界整合能力、高素质的学科交叉复合型卓越工程科技人才，其中创新是新工科建设的重要特征，强调高校要充分利用资源优势，加快构建大学生工程训练创新平台[2-3]。

目前工程训练教学过程依然存在着诸多问题，比较典型的有工程训练教学不能很好满足新工科人才培养的需求，与国家推进新工科建设进展相比，教学改革相对滞后，在主动对接新工科人才培养上意识淡薄；还有支撑新工科人才培养平台偏弱，工程训练中心建设也相对滞后，大部分教学设备以传统金工、机械、电工电子为主，而机电结合、设计与工艺结合以及理工文管结合等跨学科的实验室建设则相对较弱，未能实现智能化、数字化、网络化的智能制造及创新性的个性化设计与制作，无法实现对学生创新思维、学科交叉、工程意识以及工程实践能力的培养[4]；再有实践教学模式亟待优化，传统工程训练体系和实践教学模式比较老化、实践手段单一，知识、实践、创新与能力培养缺少深度融合，無法有效促进知识向能力的转化，导致学生工程能力较弱，还未形成以满足学以致用、自主学习、创新创业为主体的实践教学模式[5]。近年来，很多高校都在围绕新工科教育理念进行工程训练教学体系重构研究。本文以浙江水利水电学院列入省应用型建设试点示范院校为契机，从新工科对人才培养的整体要求出发，按照知识、能力、素质协调发展的原则，以工程素质培养为核心，以工程实践能力和创新能力达成为主线，从简单到复杂，从一般到先进，从单一到综合，进行多层次、多模式的实践教学模块建设和教学内容改革；探索基于TRIZ理论实施“课赛结合、虚实结合、学用结合”的PBL教学模式，并通过其一典型教学案列的具体实践，验证工程训练教学改革的效果。

二、TRIZ理论分析

根里奇·阿奇舒勒（G.S.Altshuller）通过研究全人类近300万件伟大的发明专利，总结这些发明的普适性与独特性规律，并于1946年提出TRIZ——“创新性问题的解决理论”，TRIZ是基于知识体系、面向人的创新性问题解决系统化方法[6]。TRIZ汲取大量自然科学及应用工程中的成效知识，包括技术本体或环境、制度、过程及发展，是基于知识体系面向人的启发式方法；TRIZ在问题分析中采用了普适及详细的模型，模型的核心是系统化知识，用更好的已有知识系统化解决过程问题；创新设计过程中的冲突解决步骤是未知的，为了取得合理的创新解，往往采用虚构的理想解代替直接解，而理想解可以通过系统本体或环境资源获取，也可以通过推理系统演化趋势来获取，亦TRIZ是发明问题的解决理论[7]。

TRIZ蕴含一套成型可复制的创新理论，被证实在培养创新思维和能力方面有显著成效，是一种创新人才行之有效的培养模式，深受国内外知名企业青睐，目前已于中国航空、徐工、波音和福特等企业推广应用。随着国内高等教育的快速发展，伴随着新工科教育理念对创新创业能力、跨界整合能力、高素质学科交叉复合型等人才培养要求的不断深入，TRIZ理论逐渐在高等教育研究领域兴起。作为一种新的教育方法理论，高等教育研究者正通过一系列的改革、探索和实践，挖掘TRIZ理论与高素质人才培养的联结点[8]。在大学生工程训练教学中引入TRIZ理论并构建新教学模式，本文以浙江水利水电学院校工程训练教学中学生团队设计“无序异形物品抓取机械手”为例，使学生领悟TRIZ理论内涵原理和创新性问题的解决方法，扭转惯性思维，切实提高创新意识、分析问题和解决问题能力[9]。

三、基于TRIZ理论工程训练课程体系设计

工程训练教学过程重点强调以产出为导向、注重持续改进的OBE模式，培养学生综合工程能力为目标，构建“创新设计—数字制造—软件控制—机电集成—样机演示”的创新能力训练链条。其与TRIZ体现创新思维、创新能力培养为内核，解决实际过程创新问题的思想高度吻合。TRIZ流程是首先定义待解决的特殊问题，然后依据TRIZ理论选取分析方法，并将特殊问题转化为类似一般问题，再选用TRIZ解题工具得出一般性问题的解决方法，最后通过组合系统的内在联系寻找特殊问题的解决方案。构建创新能力训练链条本质上就是教学体系的设计，这与发明创造的创新性问题完全一致，出发点都是解决系统内的矛盾问题。综上所述，基于TRIZ理论的有关解题工具，创建新的工程训练教学体系完全可行。

工程训练教学体系直接影响人才培养质量，不断优化体系设计是一项待解决的特殊问题；工程训练课程体系则是优化教学体系的重要途径，设计符合育人目标的课程体系是解决系统问题的有力方法；教学平台作为课程实施的支撑，建设有特色平台是一项解决问题的有效工具；采用实践教学、科研项目和学科竞赛相结合的PBL教学模式[10]，为特殊问题提供解决方案。本文以浙江水利水电学院为例，基于TRIZ理论创建新的工程训练课程体系如图1所示。

四、工程训练新教学模式实践

基于PBL的工程训练教学模式，以学生团队设计“无序异形物品抓取机械手”为例，阐述TRIZ理论在工程训练教学过程中的具体应用。

（一）明确特殊问题

机械手主要分为电动式机械手和压力（液压或气压）机械手，电动式机械手以小型轻载为主；压力式机械手具有负载大、响应快、密封好等特点，两者在物料分拣领域都被广泛应用[11]。但是目前市场上的机械手抓取对象形状和规格单一，而且配备一套比较复杂的控制系统，导致机械手的系统成本、鲁棒性、复杂度等增加，难以大规模推广，因此，在适应不同异形物品抓取的机械手领域，开发一套结构简易功能稳定成本可控的自适应抓取机械手系统仍然是一项不小的挑战。

（二）特殊问题一般化分析

通过深入分析特殊问题，寻找导致问题的根本原因，并将其进行一般化分析。先进行功能模型分析，创新主要取决方案设计阶段所涉及到功能的具体定义。TRIZ理论的功能是一个抽象化的概念，它与用途、功效、性能等概念不同，让学生真正理解“功能”的概念非常重要，抽象化有助于萌发新的创造思维，有利于揭露本质，寻找更理想的问题解决方案。TRIZ理论的功能分析实际上是對技术系统功能建模。学生通过查阅资料确定无序异形物品抓取机械手的功能模型如图2所示，并明确技术系统各个构成组件的内在关联。

学生通过理解TRIZ理论的功能分析工具并进行运用，可以把技术系统的思考转化为对功能的思考，从而排除形式技术系统对设计思维的约束，拓宽思路搜索满足技术系统功能要求的合理工作原理，形成新的构思。通过进一步分析设计构思，寻找技术系统组件之间相互冲突的功能，凝练解决问题的突破口和资源。无序异形物品抓取机械手系统组成部件可定义为控制模块、视觉传感器、机械手和异形物品，系统作用对象是异形物品。控制模块控制视觉传感器识别异形物品，视觉传感器发现目标后，将信号反馈给控制模块，控制模块触发机械手工作，机械手将抓取目标异形物品。通过功能分析，可以发现要让整个系统安全高效可靠的执行任务，要解决的问题主要集中在控制策略和机械手结构。

再进行根本原因分析，基于功能分析，依据技术问题，逐级详尽分析带来问题的深层次原因，找寻解决问题的突破口。技术系统中目标识别是完成精准抓取的核心，目前机器人技术基本可以根据图像特征和形状进行单一目标物品识别，但无法在无序多个异形物品中做到目标识别并精准抓取。机械手是进行异形物品安全稳固抓取的关键，目前大多机械手的抓取对象比较单一，无法满足形状和材质不一物品可靠抓取的需求。经过上述分析，找到问题的根本原因，也明确了要解决的问题。为达到高效无序异形物品抓取目的，需要科学合理的目标识别方案和机械手结构。

（三）问题解决方案

通过特殊问题的一般化分析，找到了问题的根本原因，明确了需要解决的任务，接下来运用TRIZ解题工具找寻问题解决方案。采用TRIZ分离方法、功能导向搜索和特殊问题转移，对技术系统进行裁剪，整合重叠功能并裁剪重复功能组件。对目前该领域已有的成熟技术进行研究，搜索解决问题的方案，并移植一种或多种可行方案，使技术系统具备更多优越性。

目标识别策略包含颜色识别、外轮廓形状识别、材质识别等，其中颜色识别策略无法区别两个同色不同形状的物品；外轮廓形状识别策略无法做到不同颜色相同外轮廓形状物品的区分；材质识别策略无法辨析同样材质不同形状的物品。因此，这些目标识别策略都无法很好达到无序异形物品抓取的高精度识别要求。通过查阅文献[12]，基于云图像识别的策略可满足无序异形物品的目标识别。电动式或压力式机械手都有两指和多指的结构，也有柔性和刚性的材质，通过查阅文献[13]，物品抓取采用电动式柔性三爪机械手。

（四）作品呈现及成果

运用TRIZ理论，学生团队设计了目标识别策略和抓取机械手结构，基于云图像识别工作原理如图3所示，由摄像头对目标物品的不同角度进行拍摄，采集成百上千张图像，选用树莓派接入云端大数据，并通过树莓派将图像上传至云端，利用编写的程序完成云端与树莓派的数据传输及指令下达。识别过程中，摄像头完成图像捕捉，并实时将拍摄图像上传至云端进行比对，当在摄像识别区域范围内有需要抓取的物品后，自动输入图像分析代码到主程序，树莓派通过运算、分析、处理，计算出所抓取物品的具体位置，最后将位置信号传入Python程序中定量定时触发机械手进行抓取。机械手主要由带闭环控制的步进电机和三个鳍条效应原理设计的柔性爪。学生团队依托工程训练教学支撑平台，关键零部件柔性爪用TPU材料通过3D打印技术实现，最后学生通过设计、装配、调试制作了无序异形物品抓取机械手样机，并在教师指导下顺利完成物品抓取试验。

根据浙江省大学生工程实践与创新能力大赛、大学生机械设计竞赛、大学生智能机器人创意竞赛等A类学科竞赛规则，指导教师围绕作品的程序编译、机械设计和技术文档三个方面对学生团队进行答疑，团队成员各司其职也互帮互助，并通过教师针对性辅导，实现了编程实践能力、机械创新实践能力、文本撰写能力、团队合作意识等软硬技能的培养目的。采取过程汇报、现场竞赛、文本评阅相结合方式选拔优秀学生团队参加对应的A类学科竞赛，并指导学生积极申报科技项目和专利[14]。自教学改革实施三年时间，由工程训练教师团队指导学生参加了多项A类学科竞赛，荣获国家级奖项近4项、省级奖项近24项的优异成绩；任课教师还指导学生团队成功申报科技创新项目近9项、授权专利近8项；受益学生多达240人，约占改革试点上课学生总人数的60%。

积极创新科学合理的考核评价体系是开展“课赛结合、虚实结合、学用结合”的PBL教学模式的有力保障。利用信息化手段，制定考核评价体系，引入过程性与终结性相结合、知识技能与态度相结合、个人评价和团队评价相结合、学生评价和教师评价相结合等考核方式；利用自主设计的竞赛规则，在课程学期内举办学生团队作品功能大比拼竞赛，并按一定比例划定竞赛成绩等级，竞赛成绩融入课程总成绩，课赛结合、虚实结合、学用结合的教学模式贯穿于课程全过程。对学生进行全过程、多元化和综合性的考核评价[15-16]，提高了教学质量，达到了人才培养要求。

五、结论

TRIZ理论是一门系统化的科学方法，通过学习和遵循它的内涵，能够有效加快创新性问题的解决。工程训练是一门培养学生综合能力的重要课程，在TRIZ理论指导下，基于新工科教育理念，构建了“理、实、赛融合”与“通、专、创并举”的特色工程训练系列课程体系，提出了“课赛结合、虚实结合、学用结合”的PBL教学模式，逐渐从传统的“师徒传帮带”实践教学法向“教学做评赛一体化”教学方式转变，通过实践探索，取得了丰硕的育人成果，学生的学习主动性和跨学科知识整合能力显著提升，同时创新意识、价值观、分析问题以及解决问题的能力也得到很好锻炼，达到了预期人才培养目标，也为同类院校工程训练教学体系改革提供理论参考。

[基金项目：浙江省高校实验室工作研究项目“新工科视阀下的工程训练实践教学体系研究”（YB202260）；浙江省普通本科高校“十四五”第一批教学改革项目“基于新工科的工程训练跨学科人才培养体系改革与实践”（jg20220641）；浙江省高等教育学会高等教育研究课题“基于新工科的工程训练实践教学体系改革与实践”（KT2023390）]

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［作者简介：陶来华，博士，实验师，研究方向：机电系统创新设计、机械设计制造实践教学与实验室管理研究。］

（责编：贾伟）