TRIZ的40个发明原理在大学物理课程中的体现

武继江

（山东理工大学 物理与光电工程学院，山东淄博 255000）

高等院校肩负着为国家培养具有较强创新意识和创新能力的应用型人才的重任。人才培养是一个系统工程。人才培养以一系列课程为基础。在课程教学中，除了进行知识的传授，加强学生创新意识和创新能力的培养已成为高校教师的共识。

TRIZ 理论是目前世界公认的解决发明问题的有力工具。为加强学生创新意识和创新能力的培养，有些高校在专业培养方案的制订中有意识地开设了相关课程。但在当前许多课程普遍压缩学时的情况下，在培养计划中增加一门课，在实际操作中也存在一定困难。因此，在一些课程教学中，把TRIZ 理论融入其中，是一种有益的选择。目前许多高校的教师在理工科课程教学中也做了很多有益的尝试，并取得很好的效果[1-4]。

大学物理是理工科各专业学生的一门必修课，其对学生创新能力的培养具有得天独厚的优势[5-6]，这是由于TRIZ 创新理论中许多思想和物理学中的方法是相通的。TRIZ 理论中40 个发明原理是其最重要的组成内容。把这40 个发明原理应用到实际工作中的前提是充分理解这些原理的精髓。若能够很好地理解这40个发明原理，并能灵活应用，可以说就基本掌握了TRIZ 理论。我们在大学物理课程教学中，注意把TRIZ理论的40 个发明原理融入课程教学中。在课程教学中，结合课程教学来阐释这40 个发明原理，不仅有助于学生理解这40 个发明原理，还有助于丰富课程教学内容，激发学生的学习兴趣。

1 TRIZ 的40 个发明原理在大学物理课程中的体现

已有相当多的文献对TRIZ 的40 个发明原理做了详细介绍，这里不再赘述，只就其在大学物理课程教学中的体现逐一做一定的介绍。

（1）分割原理：在受力分析时，对由多个物体构成的力学系统，可利用隔离法分别对系统的各个部分进行受力分析。

（2）抽取原理：物理学家对所研究的问题往往突出其主要因素，而忽略次要因素，从而建立起各种理想模型，这符合抽取原理的思想。避雷针也是这一思想的重要体现。

（3）局部质量原理：刚体做定轴转动时，其转动惯量与刚体的质量分布有关，为得到较大的转动惯量，柴油机飞轮边缘的厚度一般要做得厚一些。

（4）非对称原理：杠杆原理是这一原理的直观体现。当支点在中间时，是对称的。当支点两边的长度不同时，会出现杠杆原理。进一步增加这一不对称性，将会使杠杆作用更加明显，在实际中可以用很小的力撬动很重的物体。

（5）组合原理：刚体的转动惯量具有可加性。对一个复杂的刚体，可求出各部分的转动惯量，再把它们加起来就可得到整个刚体的转动惯量。

（6）多功能原理：在热学中，外力对绝热系统做功，可使系统的体积减小，同时也实现了系统内能的增加。把一个U 型固定导轨放置在时变磁场中，若放置在导轨上的导体杆做切割磁力线运动，则该导体回路就会产生动生电动势，也产生感生电动势。

（7）嵌套原理：基于静电感应原理，可使导体空腔产生静电屏蔽作用。一个导体空腔可保护置于其中的电器不受外部电场的影响，而一个接地导体空腔则可保护空腔外部电器不受空腔内带电体所产生电场的影响。

（8）质量补偿原理：物理学中有许多物理规律反映了这一原理，如阿基米德定律、作用力与反作用力、热传递、对流、磁悬浮和磁约束等。

（9）预先反作用原理：压强一定时，压力与作用面的面积成反比。因此在打桩时，一般要对桩提前做削尖处理。而为了不使一些大型车辆陷入泥潭沼泽中，车辆底盘的面积要做得尽可能大。

（10）预先作用原理：由于向心力的要求，火车转弯处，两条轨道不在同一个水平面，外轨要比内轨高一些。

（11）预先防范原理：由动量定理和动能定律可知，雨雪天气，车辆要小心慢行，以便在紧急情况下能尽快制动。而避免由于共振引发的桥梁坍塌，军队通过桥梁时不要齐步走。

（12）等势原理：利用连通器原理，可以制作水位计以了解封闭容器中液体的余量情况。

（13）反向作用原理：物体的运动是相对的。对一个系统的运动状态进行分析时，为分析的方便，可以假设某一部分是相对静止（或运动）的。

（14）曲面化原理：一般情况下，滚动摩擦要小于滑动摩擦，故在地面上滚动物体要比直接推着物体滑动要省力得多。

（15）动态化原理：高速运动的物体具有很好的稳定性。高速运转的陀螺仪就具有很好的定轴性和进动性。骑行的自行车可保持前行而不歪到。当构成牛顿环的平凸透镜和平板玻璃之间的距离发生相对变化，可观察到动态的干涉条纹。

（16）过度或不足作用原理：有限长的螺线管在通电时

管内磁场的变化是较复杂的，但密绕的无限长通电螺线管内的磁场则是一个匀强磁场。

（17）多维化原理：单层增透膜只能对某个波长实现增透，若需要对一定宽度的波段实现增透，单层薄膜是无法实现的，需要设计多层膜。

（18）机械振动原理。这一原理本质就是物理学规律在发明中的应用。类似的实例还有电磁感应炉、共振现象、电磁振荡、单摆和音叉等。

（19）周期性作用原理：物理学中有很多的实例契合这一原理，如单摆的周期性运动、热机的循环往复运动、分析求解简谐振动的旋转矢量法等。

（20）有效作用的连续性原理：导体棒在磁场中做切割磁力线运动，导体棒两端产生动生电动势，可用于发电，若用导体盘代替导体棒则可提高发电效率。

（21）紧急行动原理：由于向心力的作用，水桶在竖直平面内做圆周运动，当速度大于某一值，即使水桶口朝下，水桶里的水也不会洒出来。但速度慢了则无法实现。过山车也是类似原理。

（22）变害为利原理：由于摩擦力的存在，一个机械系统在运转时需要消耗额外的能量，这是摩擦力有害的一个方面。但在诸如机器制动、利用皮带来运送货物方面摩擦力却起着重要的有益的作用。这方面的实例还有共振，共振具有很大的危害，但在实际中也有很多有益的应用，如共振筛、用于加热食品的微波炉等。静电对一些电子产品具有很强的破坏性，是有害的，但其也可实现静电除尘、静电喷涂、静电复印等方面的应用。

（23）反馈原理：该原理在许多领域都有重要应用。抽水马桶就是基于该原理实现马桶背箱水位自动复位。抽水马桶背箱里有一个杠杆，杠杆一端连着浮筒，一端连着进水控制阀门。当水位下降，浮筒也随之下落进而通过杠杆打开控水阀门，使水注入背箱。随着水位的上升，浮筒也慢慢升高了，进水阀将逐渐关小，当达到设定的水位时阀门将关紧。这一过程可自动完成。一些电容传感器也是基于反馈原理实现传感测量的！

（24）中介物原理：当一个人的力量无法提起一个较重的物体时，通过利用一定的滑轮组则可以轻松提起。

（25）自服务原理： 重力在单摆周期性运动的过程中实现了动能和势能的相互转化。线圈通过自感来保持自身的磁通量。

（26）复制原理：弹簧振子模型是对复杂系统振荡的简化替代。光电倍增管的工作原理及激光的产生都可看作是复制原理在物理学的应用。

（27）廉价替代品原理：理想气体模型是对实际复杂气体的替代，实际气体的许多性质可通过研究理想气体来获得。

（28）机械系统替代原理：机械系统替代原理是指用各种感官刺激的方法或各种场（电、磁或电磁场等）代替原先的机械系统。物理学中讨论的磁悬浮和磁聚焦就是典型的实例。此外，利用激光束的特性实现机器零件的加工，如打孔、切割、打标等，也是该原理的体现。

（29）气压与液压结构原理：该原理在物理学中的重要体现是帕斯卡定律。千斤顶、液压制动阀和安全气囊都是该原理在实际中的应用。

（30）柔性壳体或薄膜原理：暖水瓶和儿童用双层不锈钢防烫隔热碗均采用双层结构来切断热量的传递。为减小介质界面上的反射增加透射，可镀上一层介质膜来实现增透效果。

（31）多孔材料原理：含一定数量空洞的固体叫多孔材料，是一种由相互贯通或封闭的空洞构成网络结构的材料。一定结构的光栅结构、在军事上具有重要应用的频率选择表面、 二维光子晶体和当前光学领域研究的超表面都可以看作是多孔材料。蜂窝煤是生活中多孔材料的典型实例。

（32）颜色改变原理：该原理是指通过改变对象或系统的颜色，来提升系统的价值或解决检测问题。光学仪器的分辨率与波长成反比，波长越短，分辨率越高。物质波的波长非常小，因此电子显微镜的分辨率要远大于光学显微镜的分辨率。物体的颜色实际是由于反射光线进入我们人眼后所形成的感观。黑色物体能吸收所有光线而白色物体对光线的吸收很少，因此大家一般在冬季穿深色的衣服而夏季穿浅色的衣服。

（33）同质性原理：相互作用的两个物体由同样的材料制成（或同性质的材料）。在一块玻璃上通过刻划形成周期性的透光部分和不透光部分就形成了光栅。

（34）抛弃与再生原理：本原理实际是两条原理合二为一而形成的一个发明原理。分级火箭所采用的就是抛弃原理，火箭上的助推器在完成其作用后会被抛弃掉以便减轻火箭的质量。而蒸发镀膜则是再生原理的直接应用。

（35）参数变化原理：利用金属的居里点特性，当温度升高达一定点时，可使金属由铁磁体变为顺磁体。圆孔（或狭缝）衍射时，当其尺寸可与波长相比拟时可观察到明显的衍射现象，而当其尺寸远大于波长时观察到的则是波的直线传播。再如对超导材料，只有当温度低于临界温度时，该材料才是名副其实的超导材料。

（36）相变原理：该原理本身就是一个物理学原理。如大家熟知的水就有液态，固态（冰）和气态（水蒸气）等三种常见的形态。常温下二氧化碳是气体而干冰则是其固体形态。物体发生相变时会伴随着体积的改变或热量的吸收或释放。

（37）热膨胀原理：热胀冷缩是大家非常熟悉的物理常识。为避免铁轨由于热胀冷缩而导致损坏，通常在钢轨的接缝处留一点空隙，可以保证在季节变化或者摩擦生热过程中，虽然温度发生了变化，但铁轨之间因为有缝隙而不至于被破坏。

（38）强氧化作用：空气一般是不导电的，具有较大阻抗，但通过把空气电离可降低空气的阻抗。

（39）惰性环境原理：根据分子运动论，分子间有碰撞。在镀膜时为减小这种碰撞，需要在真空室中进行。在真空室中，蒸发出的膜料会很容易地在衬底上形成膜层。再如在一般的悬挂系统中或摩天大楼中都有防止振荡的阻尼器。

（40）复合材料原理：空气是不良导体，在北方，通常采用中空玻璃窗（玻璃+空气层+玻璃）来实现保暖。

2 结语

大学物理是理工科各专业学生的一门必须课，为加强学生创新意识和创新能力的培养，我们尝试利用课程教学内容来阐释TRIZ 理论中的40 个发明原理，并在课程教学中，探索将这40 个发明原理融入课程教学内容中。实践证明，结合课程教学内容来阐释这40个发明原理，不仅有助于于学生理解和掌握这40 个发明原理，还丰富了课程教学内容，激发了学生的学习兴趣，有效提升了学生的创新意识和创新能力，取得了预期的教学效果。