论文部分内容阅读
【摘 要】将TRIZ引入大学物理创新性实验环节，选择专利文献中相关物理效应的典型应用为实验项目，在教学内容上围绕物理效应的应用展开；在教学组织上构建基于开源技术创新社区网络的学习实践共同体；在教学方法上提倡共同体成员协商、对话解决问题；在具体教学过程的设计上，引导学生应用TRIZ理论、方法对相关专利进行再发明来训练学生的创新思维和创新能力。
【关键词】TRIZ 物理创新性实验 教学模式
中图分类号：G4 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2017.21.177
在国家大力提倡“大众创业，万众创新”的战略背景下，许多普通二本院校都向应用型本科方向转型，如何培養具有创新能力的应用型本科人才是各高校普遍关心的问题。物理学科的基础性、应用性、实践性决定了大学物理实验在理工科专业开设的必要性和重要性。将TRIZ理论、方法引入大学物理创新性实验中，探索一种有效的教学模式，培养具有创新精神和能力的应用型人才，具有普遍的价值。
一、目前大学物理创新性实验教学存在的问题
主要存在的问题是：缺乏创新理论指导，实验项目内容与生产实践结合不紧密，实用性内容缺乏[1]，教学方法陈旧，应用型本科的应用性不强等。
二、TRIZ简介
TRIZ译為汉语是“解决有关发明问题的理论”，它是前苏联科学家阿奇舒勒在1946年创立的。TRIZ理论成功地揭示了创造发明的内在规律和原理，致力于理清系统中的矛盾。基于技术的发展演化规律来研究整个设计与开发过程，并且完全解决矛盾，获得最终的理想解释，使得发明创造不再是随机的行为。
TRIZ理论体系：TRIZ的理论基础是自然科学、系统科学和思维科学；TRIZ的哲学范畴是辩证法和认识论；TRIZ来源于对海量专利的分析和总结；TRIZ的理论核心是技术系统进化法则；TRIZ的基本概念包括进化、理想度、系统、功能、矛盾和资源；TRIZ的创新问题分析工具包括根本原因分析、功能分析、物场分析、资源分析和创新思维方法；TRIZ的创新问题求解工具包括发明原理、分离方法、科学效应库、标准解系统和创新思维方法；TRIZ的创新问题通用求解算法是发明问题求解算法（ARIZ）[2]。
各国的工程实践证明，应用TRIZ理论，对于技术创新、产品研发具有极大的推动作用；世界各知名企业纷纷采用，获得了较高的经济效益和社会效益。世界上许多高校积极将此理论引入课程教学中。将TRIZ理论引入创新性物理实验环节，对于系统培养学生的创新精神、创新思维和创新能力极为必要。
三、TRIZ大学物理创新性实验教学模式
郭献章，张淑梅，房瑞东等提出了“基于TRIZ-CDIO模式的大学物理实验教学模式”，（CDIO为工程教育模式。）文中重点介绍了TRIZ-CDIO物理实验教学模式的应用步骤，包括在教材、教案、教学过程中如何应用TRIZ-CDIO的理论与精神；在项目的研发与实施中实施TRIZ-CDIO的理论；用TRIZ-CDIO方法对教与学进行能力评价与反馈[3]。但缺乏针对具体的实验环节提出详细的、可操作的方法，且未就物理学科的理论与实际应用之间的联系做深入的分析。
本文在此研究的基础上，依据TRIZ理论，将物理效应作为理论与实际联系的桥梁，针对创新性物理实验环节，提出了基于TRIZ的大学物理创新性实验教学模式。具体论述如下：
物理效应在实际生产生活中被广泛应用，正如阿奇舒勒在《创造是精确的科学》一书中所述：不难发现，简单的综合方法（如分割、反转、组合等），在宏观水平上占优势。在微观水平上占优势的那些方法，差不多总是用到物理效应和现象。在微观水平上，方法都是物理学和化学方面的。因此，为发明家们提供关于物理学方法的系统资料就显得尤为重要，这可以大大提高他们将物理效应和现象用于发明的可能性。由此可见，将TRIZ理论中科学效应库中的物理效应作为创新性物理实验中，物理学科理论与实践联系的桥梁最为恰当。
在教学内容上，在大学物理创新性实验教学中，传统的教学模式是教学内容更新缓慢，表现在具体的软硬件建设上，设备陈旧，实验内容更新慢[4]。基于TRIZ的大学物理创新性实验教学模式，以TRIZ理论为指导，围绕TRIZ物理效应知识库，紧密联系实际，紧跟当前研究前沿，着重研究和挖掘物理效应在实际中的应用，这样就能解决教学内容更新慢的不足，而关于实验设备问题，本教学模式突破实验室限制，通过建立网络化大学物理实验信息平台[5]，根据具体项目的不同，首先选择仿真实验的方式进行实验，在此基础上选择与相应的生产企业合作的方式来解决实验设备陈旧的问题。
在实验项目的选择上，要紧密联系生产实践，以创新技术开发和新产品研发为目标，选择基于物理效应应用的技术开发和产品研发。
在实验教学组织上，通过网络构建开源技术创新社区，组建基于物理效应应用的技术开发和产品研发小组，努力形成包括跨学科、跨专业的教师团队、学生、生产企业工程技术人员等在内的学习实践共同体，极大地突破了创新性实验的空间和时间限制。学习者实践共同体是情境学习在人类学研究领域中的另一个核心要素，它指的是学习的生态性环境。有研究表明，学习者通过与学习环境的交互作用中，获得知识的途径有两种形式：一是学习者与信息内容交互，它导致了个体知识的建构活动；二是学习者与其他人（教师、辅导者、同伴等）之间的社会性互动，它导致了社会性知识建构[6]。而学习者实践共同体就是促进社会性知识建构的主要途径。在实验教学方法上，改革以教师为主的教学方法，形成以教师、学生、工程技术人员等学习实践共同体成员共同协商、对话分析、解决问题的方法。
在具体教学过程的设计上，主要是通过选择专利文献中相关物理效应的典型应用项目，引导学生运用TRIZ理论和方法，按照应用科学效应知识库解决问题的步骤，对专利项目进行再发明来对学生进行系统的TRIZ创新思维、创新方法、创造能力的训练。在此基础上，通过选择合适的实验项目，紧紧围绕物理效应知识的应用，开展真实的创新性实验项目研究。活动与任务的真实性，为理解与经验的互动创造机会[7]。研究表明，在真实的活动与任务中学习的效果远比传统方式好。学生的学习方式由传统方式转向基于问题的建构性学习。如此一来，使得学生对TRIZ理论和方法的应用有一个系统的、全面的了解和掌握，为学生今后从事技术研发、产品开发打下坚实的基础。 例如，以设计开发新一代“节能环保型”注塑机项目为例，首先确定对问题进行分析，通过对已有的专利中注塑机存在的问题分析，得到诸如定量泵不可调节输出功率，导致各种阀的磨损、油温过高、电机噪声过大等问题；其次确定所解决的问题需要实现的功能，如在规定的时间内将一定量的塑料加热、塑化后，以一定的压力和速度将熔融塑料注入到模具型腔中；第三需求功能定义：使得熔融流体在高压空气的作用下产生运动等；第四根据功能查找科学效应库，得到TRIZ理论所推荐的效应；第五筛选所推荐的效应知识库中的案例，优选适合解决本问题的效应和案例。通过筛选，选出能解决功能的物理效应有帕斯卡效应、欧姆效应、螺线管磁场效应、磁场力效应；第六把效应应用于功能实现，并通过数字化仿真的方式验证方案的可行性，如果问题没有得到解决或功能无法实现，则重新分析问题或查找合适的效应，直到问题解决。本例中用电器柜控制线圈中电压或电流的大小和方向，在线圈内部产生不同的磁场，使得电磁换向阀在规定的时间内接通和断开，进而控制高压流体按照注塑工艺的要求，快速推动熔融塑料填充到模具型腔中完成注塑动作。第七形成最终的解决方案。基于TRIZ理论科学效应知识库中物理效应的运用，将注射机构原来的液压驱动注射系统改为高压流体直接推动熔融流体的注射系统，成功地运用了科学知识库中的物理效应进行了产品创新设计。通过数字化仿真试验验证，新产品的性能和可靠性从根本上得到了提高。
以上案例中，虽然此项目是属于机电设备，对于物理学专业的学生具有一定的难度，但是在大学物理实验教学中，引进CDIO工程教育模式，消化并吸收此模式的合理内核，可使得实验教育具体化、可操作、可测量，从而可指导师生的教与学的实践活动。CDIO体现了系统性、科学性和先进性的统一，代表了当代工程教育的发展趋势，也是实验教学改革的成功方向之一。所以，对于物理学专业的学生来讲，也是一个很好的学习工程知识的过程。关于跨专业学习难度的问题，可以由跨学科跨专业的教师团队加以解决。通过教师组织学生在真实的活动和任务中的积极参与，对这种专利项目利用TRIZ理论和方法进行再发明的方式，学生亲身体验了运用TRIZ理论和方法解决真实而复杂的问题的过程，对物理效应在解决工程实践中的应用有了更加深刻的体会。这将大大有助于学生对知识的理解和掌握；同时对于学生的创新思维、创新能力也是一个系统而全面的训练。
在教学评价方面，主要以发表的论文、实际申请的专利数量和质量以及成果的转化率为衡量标准。
四、结束语
基于TRIZ的大学物理创新性实验教学模式，針对创新性物理实验环节，将TRIZ理论引入其中，以物理效应作为理论与实践联系的桥梁，在教学内容上围绕物理效应在实践中的应用展开；在实验项目选择上，选择基于物理效应的专利技术进行再发明为实验项目；在教学组织上，突破空间、时间限制，通过网络构建开源技术创新社区，组建基于物理效应应用的技术开发和产品研发小组，努力形成包括跨学科、跨专业的教师团队、学生、生产企业工程技术人员等在内的学习实践共同体；在教学方法上，提出了学习实践共同体成员通过共同协商、对话分析解决问题的方法；在具体教学过程的设计上，先通过对专利项目进行再发明来对学生进行系统的TRIZ创新思维、创新方法、创造能力的训练。在此基础上，通过选择合适的实验项目，紧紧围绕物理效应知识的应用，开展真实的创新性实验項目研究。
参考文献
[1]王慧琴，吴庆丰，梁小军等.以应用为导向的大学物理实验改革的探讨[J].物理实技术与管理.2012，29（9）：148.
[2]李海军，丁雪燕.经典TRIZ通俗读本[M].中国科学技术出版社，2009.12：11.
[3]郭献章，张淑梅，房瑞东等.基于TRIZ-CDIO模式的大学物理实验教学探索与实践[J].物理实验，2017，10（39）：44-48.
[4]张强，李含.大学物理实验教学模式的探讨[J].教育现代化，2017，4（32）：115-116.
[5]王月明，刘官元，董大明.网络背景下大学物理实验教学模式探讨[J].大学物理实验，2010，6（3）：86.
[6]陈健.论基于网络交互的学习共同体[J].科技咨询导报，2007（12）：197.
[7]高文.情境学习与情境认知[J].教育发展研究，2001（8）：40.
【关键词】TRIZ 物理创新性实验 教学模式
中图分类号：G4 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1672-0407.2017.21.177
在国家大力提倡“大众创业，万众创新”的战略背景下，许多普通二本院校都向应用型本科方向转型，如何培養具有创新能力的应用型本科人才是各高校普遍关心的问题。物理学科的基础性、应用性、实践性决定了大学物理实验在理工科专业开设的必要性和重要性。将TRIZ理论、方法引入大学物理创新性实验中，探索一种有效的教学模式，培养具有创新精神和能力的应用型人才，具有普遍的价值。
一、目前大学物理创新性实验教学存在的问题
主要存在的问题是：缺乏创新理论指导，实验项目内容与生产实践结合不紧密，实用性内容缺乏[1]，教学方法陈旧，应用型本科的应用性不强等。
二、TRIZ简介
TRIZ译為汉语是“解决有关发明问题的理论”，它是前苏联科学家阿奇舒勒在1946年创立的。TRIZ理论成功地揭示了创造发明的内在规律和原理，致力于理清系统中的矛盾。基于技术的发展演化规律来研究整个设计与开发过程，并且完全解决矛盾，获得最终的理想解释，使得发明创造不再是随机的行为。
TRIZ理论体系：TRIZ的理论基础是自然科学、系统科学和思维科学；TRIZ的哲学范畴是辩证法和认识论；TRIZ来源于对海量专利的分析和总结；TRIZ的理论核心是技术系统进化法则；TRIZ的基本概念包括进化、理想度、系统、功能、矛盾和资源；TRIZ的创新问题分析工具包括根本原因分析、功能分析、物场分析、资源分析和创新思维方法；TRIZ的创新问题求解工具包括发明原理、分离方法、科学效应库、标准解系统和创新思维方法；TRIZ的创新问题通用求解算法是发明问题求解算法（ARIZ）[2]。
各国的工程实践证明，应用TRIZ理论，对于技术创新、产品研发具有极大的推动作用；世界各知名企业纷纷采用，获得了较高的经济效益和社会效益。世界上许多高校积极将此理论引入课程教学中。将TRIZ理论引入创新性物理实验环节，对于系统培养学生的创新精神、创新思维和创新能力极为必要。
三、TRIZ大学物理创新性实验教学模式
郭献章，张淑梅，房瑞东等提出了“基于TRIZ-CDIO模式的大学物理实验教学模式”，（CDIO为工程教育模式。）文中重点介绍了TRIZ-CDIO物理实验教学模式的应用步骤，包括在教材、教案、教学过程中如何应用TRIZ-CDIO的理论与精神；在项目的研发与实施中实施TRIZ-CDIO的理论；用TRIZ-CDIO方法对教与学进行能力评价与反馈[3]。但缺乏针对具体的实验环节提出详细的、可操作的方法，且未就物理学科的理论与实际应用之间的联系做深入的分析。
本文在此研究的基础上，依据TRIZ理论，将物理效应作为理论与实际联系的桥梁，针对创新性物理实验环节，提出了基于TRIZ的大学物理创新性实验教学模式。具体论述如下：
物理效应在实际生产生活中被广泛应用，正如阿奇舒勒在《创造是精确的科学》一书中所述：不难发现，简单的综合方法（如分割、反转、组合等），在宏观水平上占优势。在微观水平上占优势的那些方法，差不多总是用到物理效应和现象。在微观水平上，方法都是物理学和化学方面的。因此，为发明家们提供关于物理学方法的系统资料就显得尤为重要，这可以大大提高他们将物理效应和现象用于发明的可能性。由此可见，将TRIZ理论中科学效应库中的物理效应作为创新性物理实验中，物理学科理论与实践联系的桥梁最为恰当。
在教学内容上，在大学物理创新性实验教学中，传统的教学模式是教学内容更新缓慢，表现在具体的软硬件建设上，设备陈旧，实验内容更新慢[4]。基于TRIZ的大学物理创新性实验教学模式，以TRIZ理论为指导，围绕TRIZ物理效应知识库，紧密联系实际，紧跟当前研究前沿，着重研究和挖掘物理效应在实际中的应用，这样就能解决教学内容更新慢的不足，而关于实验设备问题，本教学模式突破实验室限制，通过建立网络化大学物理实验信息平台[5]，根据具体项目的不同，首先选择仿真实验的方式进行实验，在此基础上选择与相应的生产企业合作的方式来解决实验设备陈旧的问题。
在实验项目的选择上，要紧密联系生产实践，以创新技术开发和新产品研发为目标，选择基于物理效应应用的技术开发和产品研发。
在实验教学组织上，通过网络构建开源技术创新社区，组建基于物理效应应用的技术开发和产品研发小组，努力形成包括跨学科、跨专业的教师团队、学生、生产企业工程技术人员等在内的学习实践共同体，极大地突破了创新性实验的空间和时间限制。学习者实践共同体是情境学习在人类学研究领域中的另一个核心要素，它指的是学习的生态性环境。有研究表明，学习者通过与学习环境的交互作用中，获得知识的途径有两种形式：一是学习者与信息内容交互，它导致了个体知识的建构活动；二是学习者与其他人（教师、辅导者、同伴等）之间的社会性互动，它导致了社会性知识建构[6]。而学习者实践共同体就是促进社会性知识建构的主要途径。在实验教学方法上，改革以教师为主的教学方法，形成以教师、学生、工程技术人员等学习实践共同体成员共同协商、对话分析、解决问题的方法。
在具体教学过程的设计上，主要是通过选择专利文献中相关物理效应的典型应用项目，引导学生运用TRIZ理论和方法，按照应用科学效应知识库解决问题的步骤，对专利项目进行再发明来对学生进行系统的TRIZ创新思维、创新方法、创造能力的训练。在此基础上，通过选择合适的实验项目，紧紧围绕物理效应知识的应用，开展真实的创新性实验项目研究。活动与任务的真实性，为理解与经验的互动创造机会[7]。研究表明，在真实的活动与任务中学习的效果远比传统方式好。学生的学习方式由传统方式转向基于问题的建构性学习。如此一来，使得学生对TRIZ理论和方法的应用有一个系统的、全面的了解和掌握，为学生今后从事技术研发、产品开发打下坚实的基础。 例如，以设计开发新一代“节能环保型”注塑机项目为例，首先确定对问题进行分析，通过对已有的专利中注塑机存在的问题分析，得到诸如定量泵不可调节输出功率，导致各种阀的磨损、油温过高、电机噪声过大等问题；其次确定所解决的问题需要实现的功能，如在规定的时间内将一定量的塑料加热、塑化后，以一定的压力和速度将熔融塑料注入到模具型腔中；第三需求功能定义：使得熔融流体在高压空气的作用下产生运动等；第四根据功能查找科学效应库，得到TRIZ理论所推荐的效应；第五筛选所推荐的效应知识库中的案例，优选适合解决本问题的效应和案例。通过筛选，选出能解决功能的物理效应有帕斯卡效应、欧姆效应、螺线管磁场效应、磁场力效应；第六把效应应用于功能实现，并通过数字化仿真的方式验证方案的可行性，如果问题没有得到解决或功能无法实现，则重新分析问题或查找合适的效应，直到问题解决。本例中用电器柜控制线圈中电压或电流的大小和方向，在线圈内部产生不同的磁场，使得电磁换向阀在规定的时间内接通和断开，进而控制高压流体按照注塑工艺的要求，快速推动熔融塑料填充到模具型腔中完成注塑动作。第七形成最终的解决方案。基于TRIZ理论科学效应知识库中物理效应的运用，将注射机构原来的液压驱动注射系统改为高压流体直接推动熔融流体的注射系统，成功地运用了科学知识库中的物理效应进行了产品创新设计。通过数字化仿真试验验证，新产品的性能和可靠性从根本上得到了提高。
以上案例中，虽然此项目是属于机电设备，对于物理学专业的学生具有一定的难度，但是在大学物理实验教学中，引进CDIO工程教育模式，消化并吸收此模式的合理内核，可使得实验教育具体化、可操作、可测量，从而可指导师生的教与学的实践活动。CDIO体现了系统性、科学性和先进性的统一，代表了当代工程教育的发展趋势，也是实验教学改革的成功方向之一。所以，对于物理学专业的学生来讲，也是一个很好的学习工程知识的过程。关于跨专业学习难度的问题，可以由跨学科跨专业的教师团队加以解决。通过教师组织学生在真实的活动和任务中的积极参与，对这种专利项目利用TRIZ理论和方法进行再发明的方式，学生亲身体验了运用TRIZ理论和方法解决真实而复杂的问题的过程，对物理效应在解决工程实践中的应用有了更加深刻的体会。这将大大有助于学生对知识的理解和掌握；同时对于学生的创新思维、创新能力也是一个系统而全面的训练。
在教学评价方面，主要以发表的论文、实际申请的专利数量和质量以及成果的转化率为衡量标准。
四、结束语
基于TRIZ的大学物理创新性实验教学模式，針对创新性物理实验环节，将TRIZ理论引入其中，以物理效应作为理论与实践联系的桥梁，在教学内容上围绕物理效应在实践中的应用展开；在实验项目选择上，选择基于物理效应的专利技术进行再发明为实验项目；在教学组织上，突破空间、时间限制，通过网络构建开源技术创新社区，组建基于物理效应应用的技术开发和产品研发小组，努力形成包括跨学科、跨专业的教师团队、学生、生产企业工程技术人员等在内的学习实践共同体；在教学方法上，提出了学习实践共同体成员通过共同协商、对话分析解决问题的方法；在具体教学过程的设计上，先通过对专利项目进行再发明来对学生进行系统的TRIZ创新思维、创新方法、创造能力的训练。在此基础上，通过选择合适的实验项目，紧紧围绕物理效应知识的应用，开展真实的创新性实验項目研究。
参考文献
[1]王慧琴，吴庆丰，梁小军等.以应用为导向的大学物理实验改革的探讨[J].物理实技术与管理.2012，29（9）：148.
[2]李海军，丁雪燕.经典TRIZ通俗读本[M].中国科学技术出版社，2009.12：11.
[3]郭献章，张淑梅，房瑞东等.基于TRIZ-CDIO模式的大学物理实验教学探索与实践[J].物理实验，2017，10（39）：44-48.
[4]张强，李含.大学物理实验教学模式的探讨[J].教育现代化，2017，4（32）：115-116.
[5]王月明，刘官元，董大明.网络背景下大学物理实验教学模式探讨[J].大学物理实验，2010，6（3）：86.
[6]陈健.论基于网络交互的学习共同体[J].科技咨询导报，2007（12）：197.
[7]高文.情境学习与情境认知[J].教育发展研究，2001（8）：40.