TRIZ视域下机械类专业课程思政建设与探索

史 诺,何 洁,杨晓龙

(西安航空学院机械工程学院,陕西 西安 710077)

深化课程思政建设是落实立德树人根本任务的重要举措,是我国高等教育体系中实现全员、全程、全方位育人目标的重要途径[1-2]。机械类专业课程重视逻辑,但是人文思想体系不成熟,课程思政建设难度较大。目前机械类专业课程思政建设的现实困境一是对于隐性课程思政元素挖掘不充分,没有形成体系化的思政内容资源;二是课程思政元素与专业知识融合不足,在教学过程中阐释书中之道、书中之理、书中之术的方法较为生硬。

建立思政元素的有效挖掘与融合策略,具有重要的理论价值与现实意义。TRIZ(teoriya resheniya izobreatatelskikh zadatch)即发明问题解决理论,擅长于在工程技术领域解决问题,随着TRIZ理论体系的不断完善,已逐步开始向管理领域、教育领域渗透[3-4]。“智能制造工程专业导论”是一门学科入门级课程,为了使学生理解智能制造的内涵及系统架构,同时潜移默化地受到道德浸润和文化滋养,本文尝试基于TRIZ理论探索课程思政建设的新路径,以期构建课程育人新生态。

1 课程思政元素的有效挖掘方法与措施

1.1 九屏幕法及技术系统进化法则

思维惯性的制约以及知识领域的局限是课程思政元素挖掘的最大障碍,TRIZ理论主张分析问题的过程不仅需要快速发散,而且应遵循客观规律快速收敛,这样既能够最大限度地挖掘可用资源,又避免了思路推进中的散乱无序。九屏幕法是TRIZ理论体系中搜索资源的有效工具,其核心思想是从技术系统的空间与时间两个维度上定义问题边界[5],如图1所示。在空间维度上,系统包含子系统,并隶属于超系统;在时间维度上,系统、子系统和超系统具有现在、过去和将来3种状态。九屏幕法从多方位、多角度分析问题,有利于发现隐性资源。

图1 九屏幕法

技术系统进化法则也是TRIZ理论体系当中的重要工具之一,进化法则认为技术的发展历程依次为婴儿时期、成长时期、成熟时期、衰退时期[6],衰退时期现有的技术极限即将被突破,出现新的技术,如图2所示。技术系统进化法则包含完备性法则、能量传递法则、动态性进化法则等8种类型,联合使用九屏幕法与技术系统进化法则,可以解析和预测系统、子系统、超系统的过去和未来状态。

图2 技术系统的进化

1.2 课程思政元素的挖掘

“智能制造工程专业导论”分为智能制造概述、智能制造装备技术、智能制造信息技术、智能制造生产管理、智能制造服务5个主题教学单元,本文以智能制造装备技术为例进行分析。数控机床是典型的智能制造装备,控制系统、结构件以及滚动(滑动)部件是构成数控机床的三大部分,利用工件传送装置将各类数控机床连接起来就构成了数控加工生产线,因此可以将系统、子系统、超系统设定为数控机床、滚动(滑动)部件、数控加工生产线。

应用技术系统动态性进化法则分析数控机床、滚动(滑动)部件、数控加工生产线。动态性进化法则包含提高柔性子法则、提高可移动性子法则和提高可控性子法则3种类型,提高柔性的子法则是指技术系统的发展规律依次为刚性体、铰链、柔性体、流体、场,可移动性子法则是指技术系统朝着可移动性增强的方向发展,提高可控性子法则是指技术系统进化顺序依次为直接控制、间接控制、反馈控制、自我控制。查阅文献后绘制出数控机床、滚动(滑动)部件、自动化生产线的进化路线,如图3所示。数控机床、数控加工生产线的发展规律符合提高可控性子法则,滚动(滑动)部件的发展规律符合提高柔性子法则,将分析结果填入九屏幕表中,如表1所示。

表1 数控机床的九屏幕分析结果

图3 技术进化分析

以子系统滚动(滑动)部件为例,根据其过去、现在、未来的状态,结合家国情怀、工匠精神等人文养分[7-8]挖掘出的课程思政元素如下:

我国是最早发明轴承的国家,早在四千多年前的夏商时期就掌握了在车轮与轮轴之间设置衬套的技术,形成了最原始的轴套轴承。《诗经》中《国风·邶风·泉水》记载“载脂载辖,还车言迈”,“辖”为车轴上的销钉,“脂”为润滑油,原文大意是用油脂将车轴润滑,检查轴端的销钉,驱车远行送我回家,说明在周朝时期我国已开始利用动物油进行轴承的润滑。到了元代,科学家郭守敬发明了浑仪,通过在赤道环与百刻环之间设置圆柱形的短铜棒将滑动摩擦转换成滚动摩擦,标志着我国已开始使用原始的滚子轴承。通过讲述我国古代的轴承发展史增强学生的民族自豪感,并鼓励他们鉴古思今,不断探索未知。

现代轴承工业涉及材料科学、精密加工技术和机械测量技术等多个学科领域,在诸多关键技术中,游隙关系到轴承以及整个设备的运行状态,游隙的调整与控制在毫厘间体现出了科学严谨的精神,以角接触轴承这种游隙可调的球轴承为例,讲述最佳游隙的确定方法以及调节技术,将精益求精的价值观念传递给学生。

从目前我国轴承行业的现状来看,产品结构已较为完善,但是对于动压轴承、电磁轴承等超高速超精密的类型而言,和国外先进技术还存在一定的差距,存在若干卡脖子的技术难题,要让学生正视差距,激发进取精神,树立为中国制造业奋斗的决心。

对于系统与超系统,采用同样的方式进行课程思政元素的挖掘,例如展示机床、自动化生产线研发的科学规律,培养学生追求真理的责任感和使命感;分析“东芝机床事件”,警示学生高精尖技术必须依靠自主创新;讲述“中国制造2025”战略,使学生领会我国关于智能机床、数字孪生生产线等高端智能制造装备产业发展的战略部署,鼓励学生自立自强,在他们心中播下大国工匠的种子。

2 课程思政元素与专业知识融合的策略与途径

2.1 解决矛盾的方法及发明原理

TRIZ理论认为矛盾的产生和解决推动着技术的发展,矛盾分为技术矛盾和物理矛盾两种类型,当技术系统中两个参数相互制约时是技术矛盾,当一个参数无法满足系统内相互排斥的需求时是物理矛盾[9]。技术矛盾是通过查询矛盾矩阵得到发明原理,将原理应用在具体的问题当中来解决的。物理矛盾是通过空间分离、时间分离、条件分离、整体和部分分离来解决的,确定分离方法后,查询分离方法对应的发明原理来制定具体的实施方案。

不论是技术矛盾还是物理矛盾,最终都是通过发明原理来化解的,在TRIZ理论体系中,共有40条发明原理,是对海量专利总结、归纳、淬炼后形成的,具有通用性。TRIZ理论解决问题的流程如图4所示,首先将待解决问题转化为标准问题,然后通过查询矛盾矩阵或者使用分离方法确定发明原理,形成标准方案,再结合实际背景与基础条件得到解决方案,这种转化—求解—应用的求解路径,大大降低了解决问题的难度。

图4 TRIZ解决问题的流程

2.2 课程思政元素与专业知识融合

为了实现润物细无声式的教育,需要将课程思政元素与专业知识充分融合,在这个过程中,思政元素赋能专业知识,学生不仅仅会提高业务能力,而且锤炼了政治素养,但是教师需要同时进行知识传授与价值塑造,课堂教学的难度变大,给教学设计与实施提出了较大挑战。根据TRIZ理论对于矛盾的定义,课程思政元素与专业知识的融合形成了一对技术矛盾,思政元素赋能专业知识,可以理解为改善的参数是“功率”,课堂教学的难度变大,可以认为恶化的参数是“系统的复杂性”。

查询矛盾矩阵表,“功率”“系统的复杂性”分别对应的参数编号为21、36,如表2所示,解决这对技术矛盾可以应用40条发明原理中的20有效作用的连续性原理、19周期性作用原理、30柔性壳体或薄膜原理、34抛弃或再生原理。对这4条发明原理进行仔细分析,结合教育教学规律的特点,采用有效作用的连续性原理、柔性壳体或薄膜原理进行课程思政的实施。

表2 矛盾矩阵简表

有效作用的连续性原理是指在工作过程中消除空闲和间歇性动作,保持满载状态。课程思政教育强调的是育人的连续性和不间断性,在实际的教学中,课前五分钟开展“机械工业史大家讲”活动,学生制作短视频展示我国机械工业的发展成就,强化使命意识、提升担当精神;通过合理的教学设计保证每节课融入2～3个课程思政元素,传达科技强国、自立自强、工程伦理、精益求精等理念;课后向学习小组布置“学做融合”的作业,学习小组中的每个成员均有明确分工,在合作学习的过程中,使学生树立服从集体、服从大局的格局观。这种课前引融—课中渗融—课后深融的持续性实施路径,促进了全过程、全方位培养体系的形成,突出了育人价值。

柔性壳体或薄膜原理是指采用柔性结构代替标准结构,或者使用柔性装置将物体与环境隔离。传统的教学以讲授为主,师生之间、生生之间是依靠教学纪律维持的刚性联系,为了构建柔性环境,促进知识的传递与交流,主要采用的方法有:一是营造师生互动、生生互动与协作的课堂氛围,这就需要教师以面向全体、尊重差异的原则实施教学,采用问题引导、情感共鸣、分组讨论等教学方法与手段,并充分利用现代信息技术来支撑互动行为,例如采用“雨课堂”教学工具,通过开启弹幕、收取小纸条等方式增强有效沟通;二是优化教学内容的表现形式,传统的板书、PPT较为生硬,因此增加实物展示、视频播放等环节;三是以科学精神和人文精神相统一的原则开发教学实验,充分利用未来数字化智能制造实验室、逆向工程与增材制造实验室的仪器设备,让学生在实践操作中悟情明理。

3 实施效果

课程思政是一种综合性的教学活动,影响其过程和成效的因素较多,目前的学术研究中也没有建立完善、客观的评价体系,难以对课程思政建设进行直接评价[10],因此在“智能制造工程专业导论”的教学中,采用问卷调查、学生访谈的间接评价方法对实施成效进行度量,获得的结果如下:

1)87.77%的学生认为不仅积累了专业知识而且明确了人生方向,88.89%的学生表示能够从学习中获得激励,说明思政元素融入教学内容培养了学生的获得感。

2)91.11%的学生认为自己能够积极参与到教学活动中来,92.22%的学生表示非常喜欢课前五分钟开展的“机械工业史大家讲”活动,85.55%的学生认为思政元素使课程内容更为丰富、生动,说明课程思政的教学方法取得了学生的认同。

4 结论

本文在TRIZ视域下进行“智能制造工程专业导论”课程思政元素的有效挖掘与融合,通过理论分析与教学实践探索了机械类课程思政建设的新路径,为机械类专业课程思政建设提供了一种新范式,可以形成如下结论:

1)联合使用九屏幕法与技术系统进化法则解析和预测系统、子系统、超系统的过去、现在、未来状态,将各个系统不同状态结合人文养分可以充分挖掘出隐性思政元素,这种从空间、时间维度上多方位、多角度分析问题的方式有利于对课程内容形成深层次的理解,从而体系化地开发课程思政内容资源。

2)应用矛盾矩阵和发明原理可以快速找到教学过程中课程思政的实施方法,在实施方法的指导下建立思政元素课前引融—课中渗融—课后深融的持续性实施路径,并采用多种教学手段构建柔性教学环境,促进了课程思政元素与专业知识的充分融合。

3)通过问卷调查、学生访谈的方法对课程思政建设与实施成效进行评价,评价结果表明丰富的思政元素融入专业知识培养了学生的获得感,持续性、柔性的教学方法也得到了学生的认同。