基于TRIZ 理论的板书教学系统改进设计*

李明龙，吕其峰，孙 喆，刘春含，杜宇辉，刘静娜

（1.天津理工大学天津市先进机电系统设计与智能控制重点实验室，天津 300384；2.天津理工大学机电工程国家级实验教学示范中心，天津 300384）

TRIZ理论起初用于探究问题和处理问题，它名字的来源可以追溯到俄罗斯，俄罗斯语翻译成中文的意思是“发明问题解决理论”。在应用TRIZ 理论解决问题时通常需要经过3 个阶段，分别是：认知问题、处理问题和概念创新。通过系统组件分析、资源分析与因果分析等方法对所分析系统中存在的问题进行确认[1]。运用矛盾求解，物场求解等手段对目标问题设定系统性的解决方向和解决方案，在获得所有的解决方案后，总结每一个方案的优点与缺点，分析该方案是否为最优解。

1 相关问题概述

小学生、中学生以及大学生的课堂上，黑板和粉笔仍然发挥着重要作用。然而，在教师书写过程和清理过程中，会产生大量粉尘，严重危害师生的身体健康，尤其对呼吸道、肺、眼睛、皮肤的危害极大，极易形成某些难对付的慢性病[2]。同时，粉笔灰也破坏了教室的卫生（见图1）。

图1 使用粉笔而产生的严重灰尘

随着科技进步、教育事业的发展，虽然多媒体等新一代“电子屏”教学设备不断涌现，但是仍有教室投入使用的是传统黑板，无尘“电子屏”时代并没有完全到来。根据相关资料显示，主要是由于传统教室基数大，大规模投入电子设备成本非常大；板书文化传承已久，使用电子屏存在习惯问题和方便问题； “电子屏”等相关设备长时间的使用会对学生的眼睛造成一定程度的伤害[3]。

综上所述，当前需要既经济又实用的教学用具来实现教学目的，本文将对传统教学系统进行分析与创新。

2 基于TRIZ 理论的传统板书教学系统优化设计

运用TRIZ 理论来解决问题，主要基本思想是分析模型中存在的问题，通过TRIZ 工具进行合理的归类，再通过其类别内的解决方法类型来确定问题的解决方向，最后根据模型所处实际情况进行分析总结，并得出最终的解决方案[4]。

2.1 传统板书教学组件分析

传统板书教学系统的组件见表1。

表1 传统板书教学系统

图2 为传统板书教学系统的功能模型。由图2可知，该板书教学系统的功能模型具有两种功能，分别是有用功能和有害功能。有害功能会导致不理想的结果，如粉笔自身产生的灰尘，吸附灰尘的板擦产生的灰尘，手拿板擦或粉笔吸附在手上的灰尘，这些灰尘所产生的有害结果会通过空气进入人的呼吸系统，对身体产生不良影响。

图2 传统板书教学系统的功能模型

从功能模型可以确定产生问题的3 种功能：一是手接触粉笔，在书写过程中，粉尘黏附于手，通过运动扬起，进入呼吸道；二是板擦清除粉笔字的过程中，板擦未全部吸收粉尘导致其扬起；三是粉笔与黑板接触，在书写过程中产生粉尘。这3 种功能都会产生粉尘，属于有害功能。

2.2 工程参数与矛盾分析

为使在该系统中的具体实际问题转为TRIZ 问题，可以通过使用阿奇舒勒先生在对大量的工程实际与专利文献分析中总结出的39 个通用技术参数，来进行问题的转换。这些通用技术参数基本概括了工程领域中出现的绝大部分技术矛盾问题[5]。

2.2.1技术矛盾分析

如果粉笔具备了一定的黏度，那么就能在很大程度上解决粉笔在书写过程中产生粉尘的问题。然而粉笔具备一定程度上的黏度，必然会带来书写上的不便，概括为技术参数就是：减少了粉笔书写过程中粉尘的产生，导致了其使用的方便性降低。这就构成了一组技术矛盾。

可以用39 个通用技术参数中的两个来描述这个矛盾的两个方面。

有利的参数——40 物体产生的有害因素（书写在黑板上的粉笔颗粒有一定的黏性，能很好地黏附在黑板上，小颗粒沉淀降低了产生粉尘小颗粒的可能性）

有害的参数——34 使用的方便性 （操作性）（粉笔具备一定程度上的黏性势必会带来书写方面的不舒服、不方便）

受到35 号原理（物理或化学参数的改变）和40 号原理（复合材料）的启发，尝试改变粉笔的化学成分来改变粉笔的黏度，以达到除去书写时产生的绝大部分粉尘。通过检查日常教室中的粉笔盒，发现目前市面上所采用的绝大多数粉笔是由石膏制成的，其成分主要为碳酸盐[6]，易粉末化，在书写过程中容易产生大量的粉尘。而作为粉笔的同类书写产品——蜡笔，因其油性易黏，从而可以达到无尘的状态。

类比普通的粉笔固化，在其中加入甘油等油脂类物质[7]，使粉笔油化、蜡化，同时选择泥灰岩和黏土相互结合的方式来代替传统单一的硫酸钙，其目的是为了加重“粉笔”粉尘颗粒的重量，使其即使有极小部分挥发进入空气也能自行沉淀。

通过观察发现，日常使用的粉笔通常截面为六角形呈棱柱结构，新粉笔在书写过程中， “粉笔”与黑板的接触面积较小，呈直角接触，压强大，结合40 个创新原理中的14 号创新原理：曲面化来解决。

通过查阅资料可知，教师书写粉笔最佳角度为15°。因此将直棱柱的粉笔改进为子弹头型，增加了新粉笔在书写过程中的接触面积[8]，进一步减少了粉尘的产生，增加了新粉笔书写的流畅性。

2.2.2运用物理矛盾解决问题

物理矛盾分析：参数减少粉尘， （需要） “粉笔”具有一定的黏度，因为要减少书写过程中的粉尘挥发；参数减少粉尘， （需要） “粉笔”不具有特别大的黏度，因为要便于板擦吸收全部粉尘，方便将黑板清理干净的同时，不扬起粉尘。

以下采用时间分离与系统级别分离的解决方案。时间分离的解决方案为在书写阶段和板擦清理阶段明显存在着一个时间差，运用时间分离使“粉笔”在书写过程中具备一定程度的黏性，不易于粉尘的挥发扬起， “粉笔”在板擦擦拭清理过程中不具备非常大的黏性，便于板擦完全吸收清理粉尘并不扬起粉尘。系统级别的解决方案为由于板擦自身为消耗品，故采用了技术系统进化趋势中的向超系统过度的进化趋势，希望通过板擦与黑板超系统之间的相互配合来实现粉尘的“无尘”清理。结合系统级别分离原理内28 号发明原理：机械系统替代原理中使用与物体相互作用的电磁场，通过静电除尘的方法，以求板擦在擦拭清理干净黑板的同时，完全吸收粉尘。

受当前技术水平和粉笔成本问题的限制，时间分离方案的可行性较低不利于实现，可以尝试通过系统级别分离的方法去解决问题。

针对板擦除尘方面参考到了工业上采用的静电除尘原理进行改进，在日常的黑板一侧设置一块由塑料涂层构成的静电区[9]，在擦拭清理过程中，用板擦在黑板的静电区来回摩擦接触起电，使板擦带上一定程度的静电，从而轻易的擦去黑板上的粉笔字，静电的吸附性防止了因板擦吸力不足问题而扬起粉尘的发生。

2.2.3运用物场模型分析解决问题

教师书写过程，粉笔灰会黏附在教师的手上，物场模型见图3。

图3 原始物场模型图

利用物场分析的第5 级标准解法中S5.1.1 有害模型1 来解决问题。加入第三种物质，阻止有害作用。新物场模型见图4。

图4 新物场模型图

受物-场模型的启发，尝试在粉笔的外层加入特殊物质，来隔绝书写过程中与手的直接接触，如添加多层复合隔膜绝材料涂层[10]。书写部分的填涂层会因为与黑板的摩擦暴露出内部的粉笔层，并不会影响教学过程中的书写问题。完美的解决了手—粉笔系统作用过程中产生粉尘的问题。

3 最终方案确定

通过TRIZ 理论对该问题进行分析后，运用TRIZ 工具生成解决该系统问题的4 种方案，然后将这4 种方案进行组合得到最终方案。添加一定比例的甘油等油脂类物质与泥灰岩、黏土以增加粉笔黏度，改变粉笔外形并在粉笔外层涂抹隔离物质。板擦与黑板系统采用静电除尘板擦系统。最终避免了粉笔在书写过程中产生大量粉尘，以及板擦能力不强，易扬起粉尘的问题。实现了无尘板书教学系统，见图5、图6、图7。

图5 改进粉笔隔膜剖面

图6 改进粉笔最终模型

图7 改进黑板模型

4 结束语

本文运用了TRIZ 理论及其解决问题的方法，对传统板书教学系统进行了改进与设计。运用TRIZ 工具对原系统中的部件进行了分析，找到系统存在的关键问题，并通过矛盾求解明确解决方法类型后确定解决方案对其存在的矛盾问题进行求解。通过对多种方案进行测评与组合，获得了无尘教学系统的设计方案。