基于TRIZ理论的《陶瓷工艺学》教学与创新教育融合的研究

赵慧君 刘罡 李其松 贾少培 陈守辉 张文丽 郑瑾 陈颖颖

摘要：为培养应用创新型人才，文章提出将《陶瓷工艺学》课程教学与创新教育融合的观点，首先通过案例引导学生创新思维，突破定势思维，其次将重新构建《陶瓷工艺學》的课程内容体系，同时，将课程中的知识重点与难点转化为TRIZ系统中的技术冲突重现过程，通过翻转式、启发式教学引导学生主动参与发明原理溯源、技术进化定律分析及冲突科学解决的理性思考过程，实现了学生主动参与教学过程的目的，培养创新意识，提升掌握和使用创新工具的能力。为今后专业教育与创新教育的融合打下了良好的实践基础。

关键词：TRIZ理论;陶瓷工艺学;创新教育;融合

《陶瓷工艺学》是材料科学与工程专业的专业限选课程，是无机非金属材料专业一门主干的、实践性较强的专业课程，主要讲述陶瓷材料的生产工艺原理、工艺流程和工艺控制要点。通过课堂教学和工艺实验，使学生了解日用陶瓷及主要工业陶瓷制品的种类、基本性能要求;掌握陶瓷生产主要原料的性质、特点和作用;掌握陶瓷坯料、釉料基本工艺要求和配方设计计算[1]。教学过程中融入TRIZ创新思维方法，将陶瓷工艺学课程教学与创新教育相融合，有效整合教学资源，加强学生的应用能力，培养学生的创新思维，为分析和解决一般生产工艺常见问题打开思路、提供工具，提升未来复合型应用人才的创新能力[2]。

1.TRIZ理论概述

1.1 TRIZ的基本内容

TRIZ是一种基于知识的发明问题解决系统方法学，该理论诞生于前苏联，是1946年由发明家、教育家根里奇·阿奇舒勒和他的研究团队，从250多万件发明专利中总结出的创新最常用的方法和原理[3]。TRIZ理论认为：（1）无论是一个简单产品还是复杂的技术系统，其核心技术的发展都是遵循着客观的规律发展演变的，即具有客观的进化规律和模式;（2）各种技术难题、冲突和矛盾的不断解决是推动这种进化过程的动力;（3）技术系统发展的理想状态是用尽量少的资源实现尽量多的功能。

TRIZ是由40条发明原理、8大技术系统进化法则、4种分离方法、76个标准解形成的。经典TRIZ包括创新思维工具、技术系统进化法则、矛盾矩阵、物-场模型、标准解法等。TRIZ强调发明或创新可依一定的程序与步骤进行，而非偶然的顿悟、突然的灵光乍现。

1.2 TRIZ的应用

苏联在上世纪中期开始大力培养国民创新能力和素质，将TRIZ学习列入宪法中，有100多所院校开设有TRIZ理论的课程。随着苏联的解体，人才向西方国家流动，世界各国才得以逐渐了解TRIZ理论并将其应用到本国的发展中。

美国的一些世界级公司，如波音公司，利用TRIZ理论解决了波音飞机空中加油的关键技术问题，从而战胜了法国空中客车公司，为波音赢得了几亿美元的订单。德国几乎所有名列世界500强的大企业都采用了该理论，如西门子、奔驰、宝马等著名公司都有专门的机构及人员负责该理论的培训和应用。日本的索尼公司每年都要推出数种新产品，其动力来源于创新战略和创新理论方法的研究应用。韩国的三星电子公司也专门成立了协会，在产品技术研发部门实施技术创新理论培训，目前三星公司已成为在中国申请专利最多的国外企业[4]。

2.TRIZ理论在《陶瓷工艺学》教学中的应用

2.1 创新思维，突破定势

创新是人人都具有的一种潜在的能力，而且这种能力可以通过一定的学习和训练得到激发和提升。同时，创新是有规律可循的。而要创新思维，就要突破思维定势。思维定势能帮助我们解决常见的问题，提高效率，但也容易使思维僵化，养成一种机械、呆板、千篇一律的解题习惯。相对于传统发散的创新方法，比如试错法、头脑风暴法等，TRIZ创新方法是收敛创新，其更加易于操作、系统化、流程化，实践证明，运用TRIZ理论，可大大加快人们创造发明的进程，帮助人们系统地分析问题情境，突破思维障碍，快速发现问题本质或矛盾，确定问题探索方向。

《陶瓷工艺学》课程教学中，通过案例训练学生的创新思维，比如“在一条有限的纸条上划出一条直线，从起点到起点”，引导学生使用莫比乌斯环，然后引导学生思考莫比乌斯带的应用领域，进而引出TRIZ创新方法中的效应库。

2.2 基于TRIZ理论构建课程内容

传统的《陶瓷工艺学》课程内容包括十个章节，与TRIZ创新方法相融合后，具体的章节内容发生了一些变化（表1），课程的总体学时不变。主要变化在于，加入了融合课程内容的TRIZ创新方法讲授，尤其是前两章的内容，TRIZ创新方法的介绍较多。经过TRIZ创新方法融合后的《陶瓷工艺学》，从目录上来看，后面8个章节基本没有发生变化，但在具体授课时，会以前两章所学习的TRIZ创新方法为指导，对陶瓷制备工艺发展过程中的技术冲突或物理冲突进行识别并创新解决，为今后学习具体的陶瓷成型工艺、烧成工艺、施釉工艺等内容打好科技革新及分析解决技术冲突、物理冲突的基础。

TRIZ理论认为在任何时代、任何科技领域都存在着技术进化系统，并总结出了9条技术进化定律，这种技术进化路线是可以被归类和预测的。因此，在《陶瓷工艺学》的课程教学中，可以遵循陶瓷制备技术进化与发展的主线，分析把握工艺进化的主要因素与方向，将陶瓷制备工艺过程中每一道主要工序的变革与改进（第四、第五、第六、第七、第八章）看做是陶瓷制备工艺技术进化的典型案例进行分析，将第三章（显微结构与性质）看做是具体技术冲突中的可分析工程参数，从而将整个课程的知识体系通过TRIZ方法有机的联系起来，在传授专业知识的基础之上，有效提高学生掌握《陶瓷工艺学》课程的精髓，把握专业的发展及创新方向。

在具体教学过程中，每一章节在授课之前，将技术进化定律与授课内容进行统领式关联，对技术发展中的冲突进行分类和分离。在具体到每一章节，每一个技术环节时，可以将每种新技术、新材料、新工艺的发展和应用解决了何种冲突作为出发点，运用TRIZ创新工具将创新方法及创新思维融入到具体的课程内容之中。

2.3 冲突与发明原理在《陶瓷工艺学》教学中的应用

冲突是指内在要素、作用或主张彼此不一致或相反的情景，发明的核心是解决冲突，未克服冲突的设计不是创新设计。当改善技术系统中某一特性或參数时，同时引起系统中另一特性或参数的变化，称为技术冲突;在一个技术系统中对同一参数提出了相反或是不同的要求时，就构成了物理冲突。阿奇舒勒通过对大量的专利进行研究、分析、总结，提炼出了TRIZ理论中最重要，具有普遍用途的40个发明原理来解决技术冲突。 40个发明原理开启了一道解决发明问题的天窗，将发明从魔术推向科学。

在陶瓷原料处理工艺改进中，为了获得突破性的解决方案，需要专业技术人员不断改进及创新。TRIZ工具中的阿奇舒勒冲突矩阵和发明原理可以启发技术工程师获得较为彻底的解决方案，而不需要通过妥协及折中的方法去解决技术冲突，大大提高了创新效率和效能。阿奇舒勒矛盾矩阵中调用的40个发明原理，在陶瓷原料处理工艺改进过程中都能够体现和运用。在课程教学中可以与学生一起针对具体技术系统，寻找通用工程参数，确定技术矛盾，阐明适用的发明原理。现举两例。

TRIZ发明原理中的10“预操作”指的是事先完成部分或全部的动作或功能;在方便的位置预先安置物体，使其在第一时间发挥作用，避免时间的浪费。此原理在陶瓷原料处理工艺中得到了广泛应用。我国陶瓷工业用石英原料通常采用脉石英或石英岩，质地坚硬，粉碎困难，效率低且磨损设备零件。而天然石英石低温型的β-石英，当加热到573℃时，多晶转变为α-石英，体积骤然膨胀，致使石英内部结构疏松，利于粉碎。该处理方式同时采用了TRIZ发明原理36“相变”，即利用物质相变时产生的某种效应（如：体积改变、吸热或放热）。因此，石英粉碎前先进行预烧，强化晶型转变，然后急冷，加剧产生内应力，促使碎裂。除了石英，其它原料如长石、滑石、粘土等，都可以采用类似预处理，因此，“预操作”、“相变”发明原理的采用大大改进了陶瓷原料的处理工艺，从而改变其结晶形态和物理性能，便于加工处理、纯化原料，使之更加符合工艺要求，提高制品的品质，促进了陶瓷工艺的进步。

TRIZ发明原理中的15“逆向思维”指的是使物体或其环境自动调整，以使其在每个动作阶段的性能达到最佳;把物体分成几个部分，各部分之间可改变相对位置;使物体中的运动部分静止，静止部分运动。这条原理在陶瓷成型工艺时发挥了重要作用。例如，在陶瓷制品生产过程中，成型是非常关键的工序之一。可塑成型是最古老、形式变化最多，也是采用较多的成型方法。但可塑成型所用泥料含水量高，易变性、开裂等。旋压成型是常用的一种可塑成型方法，主要是利用作旋转运动的石膏模与只能上下运动的样板刀来成型，因此坯体致密度和强度较低。利用“逆向思维”发明原理，把扁平的样板刀改为回转型的滚压头，成型时盛放泥料的模型和滚头分别绕自己轴线以一定速度同方向旋转，因此坯体组织结构均匀，致密度和强度均有所提高。同时，滚压成型是靠滚头与坯体相滚动而使坯体表面光滑，且无须再加水。通过逆向思维，赋予成型坯体高强度、不易变形、表面品质好、规整度高等多方面良好的性能。

2.4 技术进化定律及路线在《陶瓷工艺学》教学中的应用

技术系统在进化的过程中有一定的原则，而不具有随机性。如果在进行产品技术研发时，能够遵行法则掌握产品研发所处的阶段，就能够减少产品创新所花费的时间，由此节约企业产品创新的成本[5]。生物的生命周期往往会呈现出S曲线，技术系统的进化也恰好遵循客观的进化规律，当技术系统经历了幼年、成熟等时期后，会形成一个循环，如图1所示。

在学习《陶瓷工艺学》核心内容“烧成”时，引导学生从烧成设备的核心技术出发，应用TRIZ工具，将陶瓷烧成工艺发展与系统进化理论联系起来，从而高效地找到技术进化路线。在其他章节的技术进步及革新替代中也应用TRIZ系统工具进行分析，现以两个教学案例具体说明如何将技术进化定律与陶瓷工艺技术进步进行融合。

陶瓷行业的产品迭代离不开上游陶机装备，尤其是被喻为陶瓷生产线心脏的窑炉设备的创新。从上世纪80年代起，窑炉技术在宽体化、轻体化、燃气化和自动化等方面取得了长足的进步，并且随着“工业4.0”和“中国制造2025”等概念的提出，窑炉装备也在向数字智能化方向迈进。其符合TRIZ进化定律5“子系统不均衡进化法则”。在陶瓷的烧成设备中，辊道窑的辊棒自动检测和智能管理设备未来或成标配，同时，随着各陶瓷产区推进“煤改气”进程的加快，越来越多企业的窑炉开始改烧天然气，而天然气窑炉节能降耗的空间巨大，另外，宽体化是窑炉行业的发展方向，从早期的2米内宽再到后来的3.15米、3.45米以及3.85米，超宽体窑炉已经成为众多陶瓷企业的标配，在窑炉横向加宽的同时，另一方面，双层窑和多层装载的窑炉也开始出现，在纵向空间做文章，双层窑、多层装载或许将成为趋势[6]。而烧成是普通陶瓷制造工艺过程中的工序之一，而窑炉则是烧成的专门热工设备，烧成过程直接决定着陶瓷制品的矿物组成和显微结构，以及生产成本等。为了提高陶瓷制品的产量和质量，降低能耗，降低劳动强度，减少污染以及提高烧成温度，窑炉设备从古老的古窑、龙窑、阶级窑、景德镇窑，到近现代的倒焰窑、隧道窑、梭式窑、辊道窑，窑炉设备与燃料的发展变化，与其他工序相互影响，不平衡发展，由此也产生一系列创新。

再以现代的注射成型技术为例，其技术发展路径符合进化定律4“提高理想度法则”，即技术系统朝着提高系统理想度的方向进化。传统的可塑成型的生产效率一般较低，且对泥料的可塑性较高，同时对操作人员的技术要求较高，工艺的普遍适用性较低;注浆成型的陶瓷制品相比而言工艺适用性提高，对操作人员的要求明显降低，但注浆成型的尺寸精度较低;注射成型无论是适用性，还是产品尺寸精度、产品复杂程度都有较大改善，注射成型产品的整体性能普遍提高。利用现有的能量和资源实现有用功能，同时降低或减少有害作用，从而提高理想度。

3.结语

将TRIZ 理论引入专业课程教学过程，对专业课程《陶瓷工艺学》的教学方法与手段、教学内容进行重新设计与构建。在教学过程中构建技术冲突、物理冲突并引导解决冲突的场景，将陶瓷制品的制备工艺发展与技术系统进化法则联系起来，通过多种教学方法与手段，引导学生运用TRIZ创新工具参与寻找技术进化规律与路线，通过科学的方法培养学生的创新意识，将专业教育与创新教育有机融合在一起，取得了良好的效果，为创新教育与专业教育融合之课程体系建设提供了有益的借鉴。

参考文献：

[1]王永亚，陈海锋，徐敏虹.《陶瓷工艺学》教学改革探索与实践，湖南师范学院学报.2017，39（6）：56-59

[2]郑瑾， 杨操，刘文涛.融合创新创业教育的《包装印刷技术》课程教学改革与实践[J].包装工程. 2020，41（S1）：156-159.

[3]创新方法研究会.创新方法教程[M].北京：高等教育出版社，2012

[4]王秀丽，朱耿先.《基础工业工程》课程教学中融入TRIZ 创新思维方法的研[J].教育教学论坛，2019（13）：151-154

[5]朱妍雯，王亚楠.TRIZ理论在电工学课程教学中的应用[J].创新创业理论研究与实践.2019（7）：45-46

[6]石少华.工业炉燃烧技术的创新[J].冶金与材料.2019（1）：149-150

基金项目：科技部创新方法工作专项“河南省创新方法推广应用与示范 ”，项目编号：2019IM010400。

作者简介：赵慧君（1972-），女，中原工学院副教授，主要研究方向为无机非金属材料和创新创业教育。