“TRIZ+工程材料与成形技术”课程教学改革研究

贾孝伟，陈肖妹，宋卫海，李曰阳，刘明明

（山东农业工程学院，山东济南 250199）

高校开展创新创业教育，能够培养大学生创新意识，锻炼其创新创业能力，提升其职业竞争力。大学生经过中小学的基础教育和大学的专业教育，已经具备了一定的基础知识和专业知识，思维水平和动手能力得到一定发展。在创新驱动发展战略实施背景下，国家要求大学生必须接受创新创业教育，培养创新思维、创新意识和创新创业能力。传统的大学教学以传授专业课程为主，具有丰富完备的理论知识，但普遍缺少创新创业教育内容。高校教育改革的一个重要方向是将创新创业教育与专业教育结合，提高学生的创新创业能力。

1 教学现状

工程材料与成形技术以铁碳合金、钢的热处理及金属、非金属材料，以及材料的铸造、焊接等加工方法为主要内容，是机械相关专业的基础必修课程[1]。单一的工程材料相关知识、技术讲授，难以激发学生对课程的兴趣，难以使学生对相关技术的流程和意义产生深刻印象。为提高课程的教学质量，相关的教学研究在项目化教学和OBE 模式教学方面进行了实践、探索[2-3]，而将该课程与创新创业教育结合起来的研究则较少。

2 教学改革措施

作为一门与生产工艺紧密相关的专业课程，工程材料与成形技术课程中涉及的技术凝结了许多创新的方法，将其与创新创业教育相结合，能使教学内容和教学深度得到有效拓展。为了将工程材料与成形技术课程与创新创业教育融合，在教学中进行了如下改革：

2.1 以TRIZ 理论作为创新教育的依托

TRIZ 理论，也被称为发明问题解决理论，是一种根植技术中的矛盾，解决问题、发明创新的理论，是在解决技术问题、进行技术创新的基础上发展起来的，与技术创新密切相关，被大量用于技术改进和产品设计中[4-7]。TRIZ 理论知识系统完整，有具体的理论知识指导创新，已被广泛应用于创新教学[8-13]，且有多种相关教材，具有丰富的教学实践和理论，适合加入专业课程，进行创新教育。

2.2 结合TRIZ 理论讲解专业知识

作为一门生产技术类课程，工程材料与成形技术包含大量的技术创新，凝聚着丰富的创新方法。结合TRIZ 理论，对技术中的创新方法和意义进行讲解，能够使学生对相关技术产生深刻印象，理解它们的生产意义，提高教学内容的创新性。

2.3 翻转课堂

因为课堂上要结合TRIZ 理论讲授专业知识，学生必须在课前对TRIZ 理论进行学习。课前教师提供给学生相关学习材料，使学生提前学习TRIZ 中的发明原理和物-场模型等知识，为课堂学习做好知识准备。

3 教学改革设计

3.1 发明原理3（局部质量）与材料表面处理结合

钢的表面淬火利用感应加热，通过高频交流电产生的高频电磁场引发被处理材料表面产生高温，冷却后材料表层产生马氏体组织，使材料表层硬度提高。热化学处理是对表面淬火的加强。钢材中含碳量不足时，单纯表面淬火无法获得高硬度的马氏体组织，需要在淬火的过程中通过化学方式，增加表层材料中硼、碳、氮的含量。经过表面淬火和化学热处理后的材料，表面硬度明显提高，耐磨性和接触疲劳强度得到提高，内部的硬度较低，同时保持了良好的韧性和弯曲疲劳强度。两种热处理方式使被处理材料原本均匀的组织变得不均匀，材料具有了内柔外刚的优良性能。TRIZ理论发明原理3 是打破物体结构的均一性，将材料表面热处理工艺与发明原理3 结合讲授，学生在掌握材料表面热处理工艺和发明原理的同时，对表面热处理有了更深刻的认识，对发明原理也具有了更具体的认识。

3.2 发明原理22（变害为利）与易切削钢结合

钢材中通常含有一定量的硫、磷等成分，它们的存在会使钢材在特殊状态下出现开裂现象，降低了钢材的强度和可加工性。因为硫、磷等成分能够降低钢材的强度，而钢材强度降低能够提高钢材的切削性能。在钢材中加入硫、磷等元素，能提高钢材的切削性能，制造出易切削的钢材。切削完成后再处理掉材料中的硫、磷元素，提高材料强度。易切削钢将硫、磷对钢材的危害转变为优势，是变害为利的典型工程案例。发明原理22 是变害为利，将其与易切削钢结合讲授，使学生了解工程材料的研发思路，对发明原理也能有更深入的了解。

3.3 发明原理35（物理/化学状态变化）与粉末冶金结合

传统的金属材料加工方式需要进行较多的切削加工，需要使用硬度高于被加工件硬度的刀具。硬质合金为高熔点高硬度碳化物，传统的金属材料冶炼和加工方式难以对其进行加工。粉末冶金可以直接生产出较高精度的工件，减少后期的加工，尤其适用于硬质合金加工。采用粉末冶金制备硬质合金，将高熔点碳化物制备成粉末，进行成型、烧制，能够获得性能优良的高精度硬质合金工件，再进行精加工。粉末冶金的高精度成型提高了硬质合金的加工性能，能够降低生产难度、生产成本。发明原理35 是通过改变材料的物理状态进行创新，将其与粉末冶金结合讲授，能够使学生对粉末冶金和发明原理有更具体和深刻的印象。

3.4 发明原理40 和复合材料结合

复合材料是一种重要的新型工程材料，由基体与增强相组成，且两者有明显的分界面，比普通材料具有更好的性能。将发明原理40 与工程材料中的复合材料结合讲授，可以让学生认识多种复合材料，并了解复合材料在技术创新中的作用。

3.5 物-场分析与加工工艺结合

焊接是一种重要的材料成型技术，通常将焊枪与被焊接件连到电源的两极，当焊丝与被焊接件之间距离较小时，焊丝与焊件之间会出现高压电场，电场导致空气电离产生高温等离子场，融化焊丝进行焊接。当焊丝与焊件之间电场电压过高时会出现较大的电弧，电弧将对焊接质量、生产安全造成危害。埋弧焊是一种工艺，能将电弧消除。埋弧焊操作时，焊剂盖住焊丝、焊件接触区，当电弧产生时，焊剂盖灭电弧，焊剂盖住电弧，就可以提高焊接电压、焊接效率，焊剂对焊接区的保温作用，也能提高焊接质量。普通焊接系统由焊丝、焊件和高温等离子场构成一个有效完整的物-场模型，当电压过高产生电弧时，普通焊接系统成为有害效应的完整物-场模型。埋弧焊引入第3 种物质焊剂来阻止电弧的有害作用，形成一个包括3 个物、1 种场的物-场模型。其他先进焊接方法，如电子束焊和激光焊，则通过改变场的类型，加强物-场模型的功能。

热处理中正火、退火、淬火的不同之处在于改变了物-场模型的结构。正火和退火都使用空气冷却，不同之处在于，正火只有空气、工件和温度场，退火为了保温，选择随炉冷却，在空气、工件和温度场三者外引入炉体和炉体形成的机械场进行保温。而淬火为了快速降温将空气改为其他介质，提高物-场模型的功能。

结合物-场分析，给学生讲解焊接和热处理，能够使学生深刻了解两种工艺的特点，并对物-场分析产生直观的认识。

4 考核方法设计

工程材料与成形技术课程考核，除了考查学生对专业知识的把握程度，还结合课堂内容，在课程作业和期末考试中设置题目，要求学生分析相关技术的生产意义，以及其中包含的创新方法，并设置部分模拟实际应用场景的题目，要求学生选择合适的材料和加工方法完成相关任务。

5 结语

将工程材料与成形技术课程融入创新创业教育的教学改革措施包括：（1）要求学生根据教师提供的教学资料，在接受专业知识教育之前，提前学习TRIZ 理论，以开展创新教育，提高学生的专业知识，培养学生的创新能力；（2）为保证专业教学和创新创业教学的质量，结合TRIZ 理论讲授与课程相关的技术，使两种知识互为补充；（3）注重考查学生对专业知识和创新方法的运用能力，提高学生学以致用的专业能力。在“TRIZ+工程材料与成形技术”课程教学改革实践过程中，学生的学习兴趣得到提高，过程性和期终考核表现较为理想，教学改革有效促进了课程教学效果的提高。