基于TRIZ理论的自动化制造系统课程教学法

张 炜，彭晋民，陈丙三，张 宁

(福建工程学院机械与汽车工程学院，福建福州，350118)

一、前言

在新工科教育的大背景下，机械工程学科教育重点强调培养具有跨界整合能力、创新综合能力、应用实践能力及全球视野的新型多层次复合型工科人才。同时，机械制造是机械工程学科的重要组成部分，“中国制造2025”理念的提出标志着制造业这一国民经济的主体需要注入更为强大的力量。因此，自动化制造系统这门机械制造方向的专业课程对培养学生综合素质的重要性日益突显。

自动化制造系统作为机械领域的一门重要的综合性专业课程，其知识体系与先进制造技术紧密结合。该课程概念性知识较多、知识点抽象，与实际工程、产品联系较为紧密。该课程常规的授课模式存在着学生接受程度较低，难以将理论与实际联系起来，创新、开放性思维较为局限，学生所学知识点难以融会贯通等问题。这种教学模式不利于专业知识内容与实际系统、产品开发设计的结合。

针对上述问题，学校应采用有效的手段对教师的授课方式进行创新改革，将抽象知识具体化，以更好地与实际相结合，进一步提升自动化制造系统的教学质量，提高学生培养水平，进而切实推进新型多层次复合型工科人才的培养建设。

近年来，TRIZ(发明问题解决理论)逐渐进入广大教师、学者的视野。TRIZ理论是形成创造性思维和处理发明问题的分析方法，其亦可视为创新性人才高效、精准培养的理论基础。目前，TRIZ理论已经在机械领域本科教学中逐渐得到推广和应用。[1]

杨子江等[2]将TRIZ理论引入机械基础实验教学环节中，通过TRIZ理论构建创新性实验课程评价体系，并运用TRIZ理论鼓励学生在实验中进行自主探索、创新，将TRIZ理论引入实验设备日常管理中，从而进一步完善机械基础实验课程创新改革优化思路。邓援超等[3]将TRIZ理论引入机械创新设计课程教学中，通过将相应技术系统进化法则、最终理想解求解法则等与实际课程教学案例结合起来的方式，进一步解决该课程传统教学中存在的学生死记硬背概念、思维不开放的问题。王晓娟等[4]将TRIZ理论引入机械制图教学法的探索中，针对机械制造教学中较为关键的空间问题，通过TRIZ理论，采用九屏幕法进行解决，从具体屏幕系统出发，找到其旧系统及未来推演系统，进而明晰各个子系统间的关联性，从而对原有系统进行全面分析改进，进一步培养学生的机械制图空间思维能力，培养学生的创新能力。Jiang等[5]将TRIZ理论引入CDIO机械理论教学中，探索出了基于TRIZ理论的机械工程教育优化方法，采用进化方法数学描述工具，同时利用矛盾—冲突分析法等，通过VC++代码程序对教育优化方法进行数学建模求解，从机械原理知识点优化、教学过程优化、学生通过TRIZ工具解决项目中的问题三个方面对CDIO机械理论教学中的问题实例进行研究。Liu[6]将TRIZ理论应用在实际机械产品零件的设计制造过程中，通过矛盾求解矩阵、分离整合原理、物—场分析技术等结合具体的机械工具扳手研发实例，创新性地实现相关机械工具的改良，为机械领域相关课程的教学提供有效的产品创新设计及推广方法。

综上所述，目前，TRIZ理论的应用主要集中在机械领域某些课程中，如机械创新设计课程、工程制图课程。自动化制造系统课程相比于其他机械类课程概念性知识较多，知识点抽象，与实际工程、产品联系较为紧密，更偏向于实际应用。当前，TRIZ理论与自动化制造系统课程教学结合的研究较少。TRIZ理论与自动化制造系统课程的教学结合，有望进一步实现课程中复杂、抽象概念的具体化，提高学生对知识的接受程度和创新性思维水平，增强学生的实际应用能力，从而进一步优化融合创新思维理论的自动化制造系统课程教学法。

本研究首先明晰TRIZ理论的基本原理、方法，然后进一步剖析自动化制造系统课程的特点，最后结合TRIZ理论中的具体内容，将TRIZ理论引入自动化制造系统课程的实际教学中，从而初步形成一套启发学生主动思维、融概念知识与实际应用于一体的教学模式，为该课程教学模式的改革及TRIZ理论的应用推广打下良好基础。

二、TRIZ理论及关键方法介绍

TRIZ理论的中文解释为“发明问题解决理论”，其最早由苏联发明学家阿奇舒勒创立。该方法主要从具体专利实例中汲取相关创新知识，并将对应知识总结、归纳为系统解决、处理技术或发明的手段。[7]目前，TRIZ理论已经逐渐成为现代系统中处理、解决问题以及进行创新活动时广泛采用的技术方法。

本课程教学法改革中具体采用TRIZ理论中的以下三个重要技术：

TRIZ理论通过大量专利的技术分析，从中提取最为关键的40个发明原理，并将对应发明原理整合成为矩阵[8]，从而为实际处理问题提供强有力的手段。在解决实际问题的过程中，操作者可将单独或部分发明原理进行分解、整合使用，将实际问题通过效应相同的原理进行等效替代，从而将40个发明原理广泛地应用在处理各类型实际问题的过程中。

TRIZ理论中的矛盾—冲突分析方法主要针对事物、系统的多面性提出[9]，将事物冲突分为管理冲突、技术冲突、物理冲突三个层面，对相应的问题进行定性、定量的性能方面的描述、求解。针对技术冲突，可结合39个标准工程参数，进一步分析求解其具体矛盾，从而获取相应解。针对物理冲突，该理论首先从系统内子系统有害功能降低导致有用功能降低以及子系统中有用功能增强导致有害功能增强两个角度对其进行描述，进而区分物理冲突，从而进行综合考虑求解。

物—场分析模型[10]是TRIZ理论中的关键系统性分析工具，物—场分析模型可以进一步明晰系统内各个元素之间的相互联系、作用，具体将系统所有功能分为三个基本元素，即两个物质、一个作用或效应、两物质间的联系，而任意存在功能必定由这三个基本元素构成，因此，可以将这三个基本元素有机结合成为一个功能，即构造对应标准场—物分析模型。

三、自动化制造系统课程特点

自动化制造系统课程主要具有如下特点：

第一，知识抽象、零散，内容广。自动化制造系统课程包含较多概念性知识，并且对应知识点较为零散、抽象，学生难以理解。该课程包括自动化制造系统的定义、发展及评价方式，自动化制造系统人机一体化设计的概念、过程及人机工程评价，自动化制造系统中的各组成部分，即自动化加工设备系统、工件储运系统、刀具准备及储运系统等各分系统的特点、选型等。

第二，应用性强。课程具有应用性强的特点，学生通常缺乏主动、创造性地开展相应课程中案例分析及实际应用的能力。例如，学生一般缺乏针对实际生产线的生产批量、产品类型进行自动化制造系统类型选取的能力，针对企业所提出的工件输送效率和需求进行工件储运系统传输装置形式、技术参数、布局形式等综合选取的能力也较弱。

第三，与实际结合紧密。课程理论知识具有与实际产品、设备以及系统联系紧密的特点，而学生通常缺乏相关知识储备背景，难以具备对对应事物的感性认识，进而较难理解具体的产品、设备以及系统的类型、特点。例如，涉及悬挂式输送机这一物料存储运输系统中使用的输送设备，多数学生无对该设备产品的感性认识。再如，涉及机械手、机器人设备在自动装配系统中发挥相应功用，因学生较少实际接触到对应机械手、机器人设备，所以难以具备完备认识。

四、TRIZ理论与自动化制造系统课程结合的教学模式

针对上述自动化制造系统课程的特点，教育者可将TRIZ理论引入自动化制造系统的实际授课过程中，从而形成基于TRIZ理论的自动化制造系统创新型课程教学模式，具体结合方式如下：

(一)40个发明原理与自动化制造系统课程教学结合

教育者可通过TRIZ理论中的40个发明原理与该课程概念性知识点相结合的方式，进一步启发学生的发散思维，从一个知识点发散出其他知识点，并让各个知识点之间关联起来，进而较好地解决由于该课程知识点离散、抽象而导致的学生接受程度较低的问题。

例如，教育者可采用40个发明理论中分割和合并/组合的思想，分割自动化制造系统的组成概念，具体划分为工件储运系统、刀具准备及储运系统等，同时，可将自动化制造系统的各个子系统知识点进行合并/组合，形成对应的自动化制造系统的总体概念。

教育者可采用40个发明理论中的通用/普遍性与反向组合的思想。自动化制造系统中的柔性制造系统、柔性制造线以及柔性制造单元的组成具有通用/普遍性，可进行连锁分析记忆。教育者反观柔性制造系统的生产模式和生产批量的特点，可推演出刚性制造系统的生产模式和生产批量的特点。

(二)矛盾—冲突分析与自动化制造系统课程教学结合

教育者可通过矛盾—冲突分析的方式，进一步加强课程理论知识与实际机械产品系统间的联系，即教育者通过课程内理论知识内在的矛盾—冲突，结合39个标准工程参数，引发学生对实际产品、设备及系统的思考。

例如，在自动化装配系统中机器人的实际作业过程中，理论上会追求其自由度尽可能高，运动速度尽可能快，从而获取较高的装配灵活性和装配效率。而在实际生产中，若一味地提高机器人的自由度和运动速度，将造成控制难度过大、运动平稳性差的问题，则两者之间构成相应的矛盾—冲突，具体涉及39个标准工程参数中的适用性或多用性以及速度，学生需要权衡选取合理适中的机器人自由度和运动速度。

在自动化制造系统的人机一体化设计中，理论上需要提高其系统的自动化程度，从而进一步提高其实际生产效率，但通过结合39个标准工程参数中的自动化程度、生产率及可制造性发现，在实际人机一体化自动化制造系统设计建立过程中，其自动化程度、生产率相互影响，而这两者与可制造性构成相应的矛盾—冲突，即自动化程度、生产率越高，相应的可制造性整体越差。

(三)物—场分析模型与自动化制造系统课程教学结合

教育者将TRIZ理论中的物—场分析模型应用到实际授课过程中，可进一步分析自动化各个分系统等知识内容的两个元素物质S1、S2和场F，进而明晰其总体功能，这样可以更好地体现相关内容的应用性，引发学生针对对应知识的应用及案例的思考。

例如，针对自动化制造系统中的系统经济性分析环节，整体经济性分析功能构成的物质S1和S2分别为加工设备和经济性，而缺失实际作用场F，从而构成不完整模型。教育者可通过上述启发式教学，引导学生采用物—场分析模型中补全缺失元素的方式，使模型完整，从而启迪学生对应用和实例的思考。具体可采用补足场F生成率的方式，即通过考虑加工设备中的生产率效应，进而综合考虑系统的经济性。

针对自动化制造系统中的辊子输送带输送零散物料这一实例，实现其辊子输送功能的两个物质S1和S2分别为辊子输送带和零散物料，对应场F为机械场，其模型的完整性是合理的，但其中对应S1和S2之间的交互效应实际是有害的，辊子输送带无法完成对应零散物料的传输。因此，教育者可采用针对有害效应完整模型的解法，引入第三种物质S3——托盘，阻止有害效应，即采用将零散物料放置于托盘上的方式，让辊子输送机在机械场驱动作用下完成零散物料的输送过程。

五、总结

本文通过分析机械领域专业课程——自动化制造系统的特点，结合TRIZ理论的关键方法，将TRIZ理论创新性地引入该课程的教学环节当中。研究具体采用40个发明原理、矛盾—冲突分析方式及物—场分析模型等TRIZ理论中的重要技术方法作为手段工具，进一步挖掘课程教学过程中实例的生动性、学生思维的启发性、抽象知识点的具体性，从而为推进该课程的教学方式改革提供经验。