TRIZ理论在“水污染控制工程”课程教学中的应用初探

陈 默 于 婧 宋慧婷 江书琪 赵丽娅

（湖北大学资源与环境学院 湖北武汉 430062）

党的十九大报告中明确提出“创新是引领发展的第一动力，是建设现代化经济体系的战略支撑”[1]。创新的本质意义在于创造性的发现问题并能解决问题的过程[2]。为了适应建设创新型国家的需要，高等教育人才培养模式也逐渐从传统型向创新复合型人才转变，为学生创造创新创业能力发展的良好环境势在必行，课堂授课作为传统普遍的教学方式也在朝向多元化教学模式发展，我国许多高校中已经开设了与TRIZ理论（发明问题解决理论）相关的创新课程[3]。TRIZ理论作为一种发现问题、解决问题的工具，可以在课堂授课教学中辅助学生更好地理解原理的应用及工程工艺案例剖析，鼓励学生打破常规思维习惯的模式，培养学生善于提出问题的一种习惯意识，TRIZ理论与课堂教学的融合能进一步加强大学生创新思维、产品创新设计等能力的培养，提升课堂教学效果，达成培养目标。

一、专业及课程特点分析

环境工程专业是一门旨在改善环境质量，促进社会、经济和环境协调发展的综合性学科。我校环境工程专业在“生态文明建设”国家战略指导下，形成了以黑臭水体污染治理、环境废物资源化综合利用和生态环境修复为核心的专业特色，重点培养适应环保产业发展与污染治理相关企业需求，能从事环境污染治理工程领域相关的工程设计、设备开发、环境管理、生态保护以及相关技术领域的高级应用型人才。“水污染控制工程”是环境工程、环境科学等相关专业本科生的一门学科专业核心课，是环境科学与工程学科中具有综合性、实践性、时代性和创新性的一门重要的理论与方法课程[4-5]。通过对“水污染控制工程”的学习，使学生掌握污水的物理化学及生物处理方法，包括各类方法的基本理论、工艺原理、主要设计计算和常规设备的技术性能，并熟悉水处理构筑物运行和管理。培养学生分析和解决工程实际问题，并使学生具有一定的研究能力。但是在实际教学中存在原理难以解释透彻，内容空洞及抽象化等问题，学生不易掌握知识点，也不能激发学习兴趣和自主学习习惯，课堂授课效果不理想。

二、TRIZ理论简介

TRIZ是“发明问题解决理论”由俄文转换成拉丁文（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch， TRIZ）后的首字母缩写，其 英 文 全 称 是Theory of Inventive Problem Solving， 缩 写 为TIPS，其意义为解决问题发明问题的理论[6-7]。TRIZ是前苏联发明家根里奇·阿奇舒勒及其领导的一批研究人员，自1946年开始，在分析研究世界各国250万件专利的基础上，提取专利中所蕴含的解决发明问题的原理及其规律性之后建立起来的。TRIZ理论提出功能分析、冲突分析、物质分析、理解分析和资源分析，用于问题模型的建立、分析和转换。目前我国陆续有高校开设TRIZ理论课程，以该课程为先导课程，基于TRIZ问题的求解过程。在教学过程中，以问题为导向，融合技术冲突解决理论（40条发明原理、查矛盾矩阵求解）、物理冲突解决理论（分离原理）阐述教学内容知识点，鼓励学生自我提问并进行研究求解，讨论得出结果，探索尝试TRIZ理论融入课堂教学的授课模式，充分发挥学生为主体的优势，这对提高教学质量会起到重要作用。

三、TRIZ理论融入课堂教学

（一）教学内容设计

在水污染控制工程这门课教学过程中，目前存在以下一些困难：作为专业核心课程，学习内容繁多，知识量大，授课方式通常都是先讲授原理、理论部分，实验实践课安排在理论课后面。因此，原理部分内容抽象，学生没有接触或者参观实际构筑物及工艺，课程难度大，学生缺乏信心和成就感，主动性和参与性较低，导致教学效果不理想。针对课程特点及授课障碍，在TRIZ理论基础上，应用启发式教学，引导学生自我提问，激发学习兴趣。

例如，在讲解污水的物理处理这一章，先给学生介绍物理处理的原理就是去除污水中的漂浮物和悬浮物，实质上就是采用了TRIZ理论的分离原理设计构筑物阻拦水面上的漂浮物（塑料瓶、树枝木片、果皮等）。分离原理是指将一个物体中的“干扰”部分分离出去，引导学生发散思维，大胆想象，在污水进入污水处理厂前的第一个单元中，如何来设计构筑物阻挡水中漂浮物，目的是将漂浮物与污水分离，让污水进入第二个处理单元中，当同学们各抒己见之后，老师可以利用课件或者播放小视频，引出“格栅”，这时让学生重点观察格栅的结构特点，提问“为什么格栅需要分成若干根栅条”，采用TRIZ原理中的分割原理（增加物体相互独立部分的程度）进行设计，可以调整栅条间隙控制截流量。在这一部分的讲解中引入TRIZ发明原理中的分割与分离原理，让学生加深对这部分内容的理解。在格栅构筑物的结构设计中按形状分为平面格栅和曲面格栅，当栅渣量大时可用机械清渣（回转式机械清渣、钢丝绳牵引式机械清渣等），这里可以引入TRIZ发明原理中的曲面化原理（将直线或平面转化成曲线或曲面）和动态化原理（如果一个物体或系统是刚性的，使其变为可动或可调的）阐释不同构型的格栅。同样，沉砂池、沉淀池的设计都可以用上述TRIZ发明原理进行引导和阐释。

例如，讲解活性污泥法这一章，传统的活性污泥法工艺主要由曝气池、二次沉淀池、曝气系统以及污泥回流系统等组成，这里可以引入TRIZ发明原理中的合并原理（依据规则，在空间上或时间上连接或合并相同的或相关联的物体、操作或功能），举例生活中冷热水混合的水龙头，让学生在此基础上能更容易理解活性污泥法工艺流程几个单元执行的功能及其之间的相互联系。引导学生思考传统活性污泥法工艺流程的优点和缺点，着重分析缺点，即存在的问题（反应器占地面积大，供氧不均匀，在反应器前段出现耗氧速度高于供氧速度的现象，末端出现供氧速率高于需氧速率的现象）利用TRIZ理论帮助学生找到物理冲突，让学生尝试用TRIZ理论中物理冲突解决理论（空间分离、时间分离、基于条件的分离、整体与部分的分离）解决传统活性污泥工艺中的技术问题；也可以鼓励学生尝试找到需要改善的参数和可能恶化的参数这一对矛盾，通过查找矛盾矩阵得到相应的发明原理，结合专业知识，课堂小组讨论出可行的技术方案，这样不仅深化了知识点，还增强了学生主动性。通过TRIZ理论融入本章内容教学，即可深入浅出讲授渐减曝气活性污泥法和阶段曝气活性污泥法工艺。

（二）教学效果评价改革

课程的评价应当是过程性评价与终结性评价相结合，以往课程成绩都是以平时成绩（占30%）和期末成绩（70%）两部分内容组成。这样的考核形式过于注重结果而忽视了过程，不能考查学生的创新能力、实践操作能力等，对学生知识点掌握的评价不够具体化。依据TRIZ理论中的分割原理，课程考核方式由若干环节组成，内容及权重可以分配如下：出勤和作业（10%）+课堂参与度（10%）+小组讨论（10%）+实验完成度（20%）+期末考试成绩（50%）。相比以往考核方式加大了课堂参与度、小组讨论及实验部分的环节比重，更加注重过程性考核。以往期末考试通常以纸质卷面作答为主，容易造成考试前的死记硬背，我们可以尝试与学生进行一对一、面对面的提问作答，能提高学生口头表达能力和随机应变能力，提供多元化的考试方式，让学生在平时学习过程中注重知识点的领悟和融会贯通，而不是考试前的临时突击，最终达到让每一位同学尽可能的掌握本门课程重要知识点的目的。

四、结束语

水污染控制工程作为环境专业的一门重要核心课，学生掌握情况对其今后工作的发展有重要的影响。为了提高课堂教学效果，让学生带着问题和自己大胆的想法自愿学习这门课，是提高教学质量的关键。基于TRIZ创新理论，结合本门课程内容特点，对其中一些实际问题进行剖析，使得学生更清楚本门课程中污水处理构筑物及工艺流程设计的原理。基于TRIZ创新理论，探索课程考核方式改革向多元化方向发展，将有助于培养符合新时代要求的创新型复合人才。