TRIZ技术矛盾解决理论在环境工程教学中的应用*

包呈敏，包爱国，陈玉珍

(1 呼和浩特民族学院，内蒙古 呼和浩特 010051；2 内蒙古农业大学，内蒙古 呼和浩特 010010；3 中央民族大学，北京 100091)

1 TRIZ理论的由来及其在我国教育教学实践中的应用

TRIZ是俄文Teoriya Resheniyva Izobretatel’ skikh Zadatch的缩写，意思是发明问题解决理论，由根里奇·阿奇舒勒于1956年在前苏联创立。他做专利评审时发现，发明和创造是有规律可循的，于是他和弟子们对数以万计的专利文献进行研究整理，抽取了不同领域不同发明问题中相同的规律，总结出TRIZ理论和方法体系[1]。

TRIZ的发展经历了三个阶段：(1)创立阶段，这个时期主要是完善TRIZ体系，并在苏联得到少量应用；(2)传播阶段，20世纪90年代，TRIZ传播到美国、欧洲、亚洲，被宝洁公司、三星公司等作为新产品开发的指导理论；(3)应用阶段，2005年以来，被更多世界知名公司如通用电气、西门子、英特尔等引入，TRIZ解决问题工具在员工培训和新产品研发中起到了重要作用。

TRIZ理论进入中国，要追溯到1985年《发明程序大纲》一书的出版[2]。2005年以后逐渐被引入企业、高校被广泛应用。目前，在教学研究方面，已经从最早的河北工业大学、东北林业大学等开设试点课程，发展到现在，多所高校都开设TRIZ理论必修课或选修课。

然而，实践证明，以传授知识为中心来进行“创新方法”类课程效果并不理想，达不到让学生掌握和运用创新方法的目的[3]。因此，2017年创新方法工作专项“多层次多模式的高校创新方法人才培育体系建设与示范”中提出专创融合型课程这一概念，提倡将专业能力与创新方法运用能力相结合。随着教学实践的推进，TRIZ理论以其在机械类和工程类技术问题中的独特适用性，指导的项目已经在各种大学生创新类比赛中崭露头角，教学实践中的经验方法和成果也不断被总结出来[4-6]。

2 《环境工程学》教学中的问题

《环境工程学》是环境工程专业主干课程。目前《环境工程学》课程教学中主要存在的问题有：

(1)学生被动学习，学习效果差。《环境工程学》知识点比较多比较杂，学生对这门课有畏难情绪。在教学过程中，极少有学生能够主动思考，多数学生对老师的提问都是直接翻书找答案或求助于网络。这种不经思考得到的知识和答案很容易被学生遗忘，学习效果差。

(2)课程实践方法单一。《环境工程学》是一门实践性很强的课程，涉及大量工程技术原理和设备运行方式。目前国内高校一般采取同步实验和工厂见习实习的方式进行实践。然而，这两种方式都是在理论课之后进行。期间可能相隔几天、几个星期甚至几个月。这个过程，学生早已对理论课所学印象模糊甚至遗忘。

(3)能力没有得到充分地培养和锻炼。工程类专业学生一般对实验课所学知识掌握得比较扎实，在步入工作岗位之后面对实验相关工作时也会更加自信、从容。对理论课所学知识却没有信心，甚至感觉什么也没学会，究其根本，还是在理论课学习过程中，分析问题和解决问题的能力没有得到充分地培养和锻炼。

针对，上述问题，需要对课程的教学方法进行改革，让学生掌握解决问题的工具，方能让他们主动思考，动手实践，培养和锻炼分析问题、解决问题的能力。

3 TRIZ技术矛盾解决理论

《环境工程学》课程内容中包括了较多工程矛盾问题，例如要提高某个设备或者某种材料的性能，但是增加了成本或者增加了占地面积等。传统的解决方法，往往是采用折中的方案，通过反复实验，找出最佳条件。然而，这种方法并没有从根本上解决问题，工程中的矛盾依然存在。如果能将TRIZ的技术矛盾解决理论应用到《环境工程学》的工程矛盾问题中，在教学过程中，一步步引导学生主动思考，动手实践，则有可能找到具有创新性的解决方案，也能够培养和锻炼学生分析问题和解决问题的能力。

TRIZ技术矛盾解决理论是指：在解决工程技术问题时，往往遇到这样的情形，为了达到某种目的，需要改善某个参数，但是同时却恶化了另一个参数。例如如果增加机翼的尺寸，那么能提高飞机的升力，但是飞机的重量会增加。这就是技术矛盾，一般用“如果……那么……但是……”来描述[1]。

阿奇舒勒对数量众多的工程参数进行一般化处理，总结出39个通用工程参数，并编为39行×39列的矛盾矩阵。技术矛盾由包含改善参数行和包含恶化参数列的交叉单元表示，每个单元中的几个数字为40个发明原理的编号，发明原理的提示可以帮助我们解决技术矛盾。

4 教学实践——浅池沉降原理

浅池沉降原理是污水沉淀过程中提高沉淀效率的一个重要指导原理，是《环境工程学》课程的重点内容。它指的是，沉淀池越浅，就越能缩短沉淀时间，即提高沉淀效率。依据浅池沉降原理，污水处理厂若要提高污水沉淀效率，就应该将沉淀池设计的尽量浅。然而同时带来的问题是，比较浅的沉淀池，其处理能力不能满足设计流量。而如果设计很多个比较浅的沉淀池，占地面积又随之增加，对污水处理厂来说都是不可取的。

针对这种情况，污水处理厂一般采取斜板(管)沉淀池来解决。即设置一排斜管或斜板于沉淀池中，降低沉淀池各区域有效水深的同时，不改变沉淀池的总体结构和处理能力[7]。详见图1、图2。

图1 普通沉淀池Fig.1 Common sedimentation tank

图2 斜板(管)沉淀池Fig.2 Inclined plate (tube) sedimentation tank

4.1 教学现状

针对这一知识点，当前普遍的教学方法有两种。一种是先总体介绍沉淀池的分类，讲到对应章节时，先介绍斜板(管)沉淀池，再讲解浅池沉淀原理。另一种是先讲解浅池沉淀原理，再抛出问题“如何在不增加沉淀池占地面积的同时，提高沉淀效率？”，给学生一定的思考空间，经过一番思考和讨论后给出解决方法，即斜板(管)沉淀池。后者显然更符合现代教育启发式的教学理念。但是，没有一个有效的解决问题的方法和工具时，大多数学生在这个教学过程中依然没有进行主动的有效的思考，而是倾向于向书本或者网络上寻找现成的答案。

4.2 TRIZ教学实践

针对教学过程中出现的，学生缺乏解决问题的方法和工具的情况，尝试采用TRIZ理论中的技术矛盾解决理论来解决。并分别于2019年11月至12月，在呼和浩特民族学院2018级环境工程1、2班和2018级水质科学与技术1、2班，2020年9月-10月，在呼和浩特民族学院2019级环境工程1、2班和2019级水质科学与技术1班，进行教学实践。在学习浅池沉降原理之前，上述4个班的同学均已选修《TRIZ创新方法》课程，并掌握了技术矛盾和矛盾矩阵工具的使用方法。

按照如下步骤教学：第(1)步，使用TRIZ理论工具之前，先讲解浅池沉降原理，即沉淀池越浅，就越能缩短沉淀时间，越能提高沉淀效率；第(2)步，抛出问题“如何在不增加沉淀池占地面积的同时，提高沉淀效率？”；第(3)步，引导学生从上述问题中提炼技术矛盾，并尝试采用矛盾矩阵和发明原理找到解决方案。

表1 参数转化表Table 1 Parameter conversion table

教学实践中，学生从不同角度思考，选取不同的工程参数，提炼出了不同的技术矛盾。其中，出现最多最典型的为“如果增大沉淀池占地面积并降低沉淀池高度，那么能够提高沉淀效率，但是占地面积变大了。”其中，改善的参数为沉淀效率，恶化的参数为占地面积。将这对参数转化为通用工程参数，如表1所示。

利用矛盾矩阵查得该技术矛盾指向的交叉单元中提示的发明原理为发明原理10，35，17，7，如表2所示。各发明原理详细解释见表3所示。

表2 矛盾矩阵(部分)Table 2 Contradiction Matrix (excerpt)

表3 发明原理的解释Table 3 Explanation of Invention Principles

4.3 解决方案

在上述发明原理的提示下，学生通过分组讨论形式得出的比较成熟可行的解决方案主要有两类。

(1)设置预沉淀池或沉砂池。根据发明原理10预先作用原理的提示，在沉淀池前设置预沉淀池或沉砂池，将污水中的粗大颗粒先快速地沉淀下来，将细颗粒用沉淀池进行沉淀，从而降低沉淀池占地面积，提高沉淀效率。详见图3。

图3 带前置沉砂池的沉淀池Table 3 Sedimentation tank with detritor in front

(2)采用多层结构或斜板(管)沉淀池。根据发明原理17空间维数变化的提示，在不改变现有沉淀池设计尺寸的前提下，将沉淀池设计为两层或多层结构(详见图4)。并将多层结构倾斜放置，即斜板沉淀池。为提高斜板沉淀效率，进一步增加维数，采用斜管沉淀池(同图2)。

图4 双层沉淀池Table 4 Two layer sedimentation tank

5 结 语

(1)学生通过TRIZ理论工具找到了解决工程技术问题切实可行的方案。在教学实践中，学生通过TRIZ理论工具找到的方案，恰好是当前污水处理厂的普遍做法。证明TRIZ理论的确能够指导我们解决工程技术问题中的矛盾。

(2)学生通过TRIZ理论工具找到了创新性的解决方案。在教学实践中，除了4.3中提到的解决方案之外，有个别学生还得出了更具创新性的解决方案。目前，针对其中两个可行方案正在进行设备改进和性能测试。方案成熟后将申请专利。

(3)学生通过TRIZ理论工具的应用培养了多方面能力。在整个教学实践过程中，学生由于有了TRIZ这一解决问题的工具，改变了以往对这类问题无从下手的状态，建立了自信，学习过程中通过主动思考，分组讨论等形式，培养和锻炼了团队协作能力、分析问题和解决问题的能力。

总体而言，这种教学实践真正做到了启发式、交互式的教学，为学生打下扎实的专业课基础的同时，对学生建立自己的学习方法体系，以及今后的工作中解决实际问题都有着深远的影响。TRIZ理论工具在《环境工程学》课程教学中这次初步的实践取得了预期效果，深入研究，覆盖本课程的全部重难点知识，并形成完整的课程内容设计后，该方法值得进一步推广。