陶來華　李增芳　陳楠　沈恬逸　葉珂語

摘 要：以新工科教育理念為指導，基于TRIZ理論構(gòu)建了“理、實、賽”融合與“通、專、創(chuàng)”并舉的工程訓練課程體系，進行“課賽結(jié)合、虛實結(jié)合、學用結(jié)合”PBL教學模式的探索。根據(jù)工程項目形式重構(gòu)教學內(nèi)容，以虛實、學用相結(jié)合方式創(chuàng)新實踐教學方法，并依托工程訓練支撐平臺完成創(chuàng)新作品的構(gòu)思、設(shè)計與制作。實踐證明新的工程訓練教學體系有效激發(fā)學生的學習興趣，提升學生的工程素養(yǎng)和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力。

關(guān)鍵詞：工程訓練 TRIZ理論 創(chuàng)新實踐 人才培養(yǎng)

中圖分類號：F240? 文獻標識碼：A

文章編號：1004-4914（2024）02-211-03

一、引言

工程訓練是面向高等院校學生開展的與工程意識、工程技能、工程素質(zhì)以及工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)相關(guān)的一系列實踐活動，是高校工程訓練中心的核心業(yè)務(wù)，其教育理念、育人體系和質(zhì)量直接影響著教學目標達成和工程訓練中心發(fā)展[1]。教育部重塑“新工科”建設(shè)構(gòu)想，在新理念、新結(jié)構(gòu)、新模式、新質(zhì)量和新體系5個方面對工程教育提出了新要求，強調(diào)人才培養(yǎng)模式改革的重點是強化多方協(xié)同育人、多學科交叉融合、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、個性化等方面的建設(shè)；培養(yǎng)一批具有創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、跨界整合能力、高素質(zhì)的學科交叉復合型卓越工程科技人才，其中創(chuàng)新是新工科建設(shè)的重要特征，強調(diào)高校要充分利用資源優(yōu)勢，加快構(gòu)建大學生工程訓練創(chuàng)新平臺[2-3]。

目前工程訓練教學過程依然存在著諸多問題，比較典型的有工程訓練教學不能很好滿足新工科人才培養(yǎng)的需求，與國家推進新工科建設(shè)進展相比，教學改革相對滯后，在主動對接新工科人才培養(yǎng)上意識淡??；還有支撐新工科人才培養(yǎng)平臺偏弱，工程訓練中心建設(shè)也相對滯后，大部分教學設(shè)備以傳統(tǒng)金工、機械、電工電子為主，而機電結(jié)合、設(shè)計與工藝結(jié)合以及理工文管結(jié)合等跨學科的實驗室建設(shè)則相對較弱，未能實現(xiàn)智能化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的智能制造及創(chuàng)新性的個性化設(shè)計與制作，無法實現(xiàn)對學生創(chuàng)新思維、學科交叉、工程意識以及工程實踐能力的培養(yǎng)[4]；再有實踐教學模式亟待優(yōu)化，傳統(tǒng)工程訓練體系和實踐教學模式比較老化、實踐手段單一，知識、實踐、創(chuàng)新與能力培養(yǎng)缺少深度融合，無法有效促進知識向能力的轉(zhuǎn)化，導致學生工程能力較弱，還未形成以滿足學以致用、自主學習、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)為主體的實踐教學模式[5]。近年來，很多高校都在圍繞新工科教育理念進行工程訓練教學體系重構(gòu)研究。本文以浙江水利水電學院列入省應(yīng)用型建設(shè)試點示范院校為契機，從新工科對人才培養(yǎng)的整體要求出發(fā)，按照知識、能力、素質(zhì)協(xié)調(diào)發(fā)展的原則，以工程素質(zhì)培養(yǎng)為核心，以工程實踐能力和創(chuàng)新能力達成為主線，從簡單到復雜，從一般到先進，從單一到綜合，進行多層次、多模式的實踐教學模塊建設(shè)和教學內(nèi)容改革；探索基于TRIZ理論實施“課賽結(jié)合、虛實結(jié)合、學用結(jié)合”的PBL教學模式，并通過其一典型教學案列的具體實踐，驗證工程訓練教學改革的效果。

二、TRIZ理論分析

根里奇·阿奇舒勒（G.S.Altshuller）通過研究全人類近300萬件偉大的發(fā)明專利，總結(jié)這些發(fā)明的普適性與獨特性規(guī)律，并于1946年提出TRIZ——“創(chuàng)新性問題的解決理論”，TRIZ是基于知識體系、面向人的創(chuàng)新性問題解決系統(tǒng)化方法[6]。TRIZ汲取大量自然科學及應(yīng)用工程中的成效知識，包括技術(shù)本體或環(huán)境、制度、過程及發(fā)展，是基于知識體系面向人的啟發(fā)式方法；TRIZ在問題分析中采用了普適及詳細的模型，模型的核心是系統(tǒng)化知識，用更好的已有知識系統(tǒng)化解決過程問題；創(chuàng)新設(shè)計過程中的沖突解決步驟是未知的，為了取得合理的創(chuàng)新解，往往采用虛構(gòu)的理想解代替直接解，而理想解可以通過系統(tǒng)本體或環(huán)境資源獲取，也可以通過推理系統(tǒng)演化趨勢來獲取，亦TRIZ是發(fā)明問題的解決理論[7]。

TRIZ蘊含一套成型可復制的創(chuàng)新理論，被證實在培養(yǎng)創(chuàng)新思維和能力方面有顯著成效，是一種創(chuàng)新人才行之有效的培養(yǎng)模式，深受國內(nèi)外知名企業(yè)青睞，目前已于中國航空、徐工、波音和福特等企業(yè)推廣應(yīng)用。隨著國內(nèi)高等教育的快速發(fā)展，伴隨著新工科教育理念對創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力、跨界整合能力、高素質(zhì)學科交叉復合型等人才培養(yǎng)要求的不斷深入，TRIZ理論逐漸在高等教育研究領(lǐng)域興起。作為一種新的教育方法理論，高等教育研究者正通過一系列的改革、探索和實踐，挖掘TRIZ理論與高素質(zhì)人才培養(yǎng)的聯(lián)結(jié)點[8]。在大學生工程訓練教學中引入TRIZ理論并構(gòu)建新教學模式，本文以浙江水利水電學院校工程訓練教學中學生團隊設(shè)計“無序異形物品抓取機械手”為例，使學生領(lǐng)悟TRIZ理論內(nèi)涵原理和創(chuàng)新性問題的解決方法，扭轉(zhuǎn)慣性思維，切實提高創(chuàng)新意識、分析問題和解決問題能力[9]。

三、基于TRIZ理論工程訓練課程體系設(shè)計

工程訓練教學過程重點強調(diào)以產(chǎn)出為導向、注重持續(xù)改進的OBE模式，培養(yǎng)學生綜合工程能力為目標，構(gòu)建“創(chuàng)新設(shè)計—數(shù)字制造—軟件控制—機電集成—樣機演示”的創(chuàng)新能力訓練鏈條。其與TRIZ體現(xiàn)創(chuàng)新思維、創(chuàng)新能力培養(yǎng)為內(nèi)核，解決實際過程創(chuàng)新問題的思想高度吻合。TRIZ流程是首先定義待解決的特殊問題，然后依據(jù)TRIZ理論選取分析方法，并將特殊問題轉(zhuǎn)化為類似一般問題，再選用TRIZ解題工具得出一般性問題的解決方法，最后通過組合系統(tǒng)的內(nèi)在聯(lián)系尋找特殊問題的解決方案。構(gòu)建創(chuàng)新能力訓練鏈條本質(zhì)上就是教學體系的設(shè)計，這與發(fā)明創(chuàng)造的創(chuàng)新性問題完全一致，出發(fā)點都是解決系統(tǒng)內(nèi)的矛盾問題。綜上所述，基于TRIZ理論的有關(guān)解題工具，創(chuàng)建新的工程訓練教學體系完全可行。

工程訓練教學體系直接影響人才培養(yǎng)質(zhì)量，不斷優(yōu)化體系設(shè)計是一項待解決的特殊問題；工程訓練課程體系則是優(yōu)化教學體系的重要途徑，設(shè)計符合育人目標的課程體系是解決系統(tǒng)問題的有力方法；教學平臺作為課程實施的支撐，建設(shè)有特色平臺是一項解決問題的有效工具；采用實踐教學、科研項目和學科競賽相結(jié)合的PBL教學模式[10]，為特殊問題提供解決方案。本文以浙江水利水電學院為例，基于TRIZ理論創(chuàng)建新的工程訓練課程體系如圖1所示。

四、工程訓練新教學模式實踐

基于PBL的工程訓練教學模式，以學生團隊設(shè)計“無序異形物品抓取機械手”為例，闡述TRIZ理論在工程訓練教學過程中的具體應(yīng)用。

（一）明確特殊問題

機械手主要分為電動式機械手和壓力（液壓或氣壓）機械手，電動式機械手以小型輕載為主；壓力式機械手具有負載大、響應(yīng)快、密封好等特點，兩者在物料分揀領(lǐng)域都被廣泛應(yīng)用[11]。但是目前市場上的機械手抓取對象形狀和規(guī)格單一，而且配備一套比較復雜的控制系統(tǒng)，導致機械手的系統(tǒng)成本、魯棒性、復雜度等增加，難以大規(guī)模推廣，因此，在適應(yīng)不同異形物品抓取的機械手領(lǐng)域，開發(fā)一套結(jié)構(gòu)簡易功能穩(wěn)定成本可控的自適應(yīng)抓取機械手系統(tǒng)仍然是一項不小的挑戰(zhàn)。

（二）特殊問題一般化分析

通過深入分析特殊問題，尋找導致問題的根本原因，并將其進行一般化分析。先進行功能模型分析，創(chuàng)新主要取決方案設(shè)計階段所涉及到功能的具體定義。TRIZ理論的功能是一個抽象化的概念，它與用途、功效、性能等概念不同，讓學生真正理解“功能”的概念非常重要，抽象化有助于萌發(fā)新的創(chuàng)造思維，有利于揭露本質(zhì)，尋找更理想的問題解決方案。TRIZ理論的功能分析實際上是對技術(shù)系統(tǒng)功能建模。學生通過查閱資料確定無序異形物品抓取機械手的功能模型如圖2所示，并明確技術(shù)系統(tǒng)各個構(gòu)成組件的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。

學生通過理解TRIZ理論的功能分析工具并進行運用，可以把技術(shù)系統(tǒng)的思考轉(zhuǎn)化為對功能的思考，從而排除形式技術(shù)系統(tǒng)對設(shè)計思維的約束，拓寬思路搜索滿足技術(shù)系統(tǒng)功能要求的合理工作原理，形成新的構(gòu)思。通過進一步分析設(shè)計構(gòu)思，尋找技術(shù)系統(tǒng)組件之間相互沖突的功能，凝練解決問題的突破口和資源。無序異形物品抓取機械手系統(tǒng)組成部件可定義為控制模塊、視覺傳感器、機械手和異形物品，系統(tǒng)作用對象是異形物品?？刂颇K控制視覺傳感器識別異形物品，視覺傳感器發(fā)現(xiàn)目標后，將信號反饋給控制模塊，控制模塊觸發(fā)機械手工作，機械手將抓取目標異形物品。通過功能分析，可以發(fā)現(xiàn)要讓整個系統(tǒng)安全高效可靠的執(zhí)行任務(wù)，要解決的問題主要集中在控制策略和機械手結(jié)構(gòu)。

再進行根本原因分析，基于功能分析，依據(jù)技術(shù)問題，逐級詳盡分析帶來問題的深層次原因，找尋解決問題的突破口。技術(shù)系統(tǒng)中目標識別是完成精準抓取的核心，目前機器人技術(shù)基本可以根據(jù)圖像特征和形狀進行單一目標物品識別，但無法在無序多個異形物品中做到目標識別并精準抓取。機械手是進行異形物品安全穩(wěn)固抓取的關(guān)鍵，目前大多機械手的抓取對象比較單一，無法滿足形狀和材質(zhì)不一物品可靠抓取的需求。經(jīng)過上述分析，找到問題的根本原因，也明確了要解決的問題。為達到高效無序異形物品抓取目的，需要科學合理的目標識別方案和機械手結(jié)構(gòu)。

（三）問題解決方案

通過特殊問題的一般化分析，找到了問題的根本原因，明確了需要解決的任務(wù)，接下來運用TRIZ解題工具找尋問題解決方案。采用TRIZ分離方法、功能導向搜索和特殊問題轉(zhuǎn)移，對技術(shù)系統(tǒng)進行裁剪，整合重疊功能并裁剪重復功能組件。對目前該領(lǐng)域已有的成熟技術(shù)進行研究，搜索解決問題的方案，并移植一種或多種可行方案，使技術(shù)系統(tǒng)具備更多優(yōu)越性。

目標識別策略包含顏色識別、外輪廓形狀識別、材質(zhì)識別等，其中顏色識別策略無法區(qū)別兩個同色不同形狀的物品；外輪廓形狀識別策略無法做到不同顏色相同外輪廓形狀物品的區(qū)分；材質(zhì)識別策略無法辨析同樣材質(zhì)不同形狀的物品。因此，這些目標識別策略都無法很好達到無序異形物品抓取的高精度識別要求。通過查閱文獻[12]，基于云圖像識別的策略可滿足無序異形物品的目標識別。電動式或壓力式機械手都有兩指和多指的結(jié)構(gòu)，也有柔性和剛性的材質(zhì)，通過查閱文獻[13]，物品抓取采用電動式柔性三爪機械手。

（四）作品呈現(xiàn)及成果

運用TRIZ理論，學生團隊設(shè)計了目標識別策略和抓取機械手結(jié)構(gòu)，基于云圖像識別工作原理如圖3所示，由攝像頭對目標物品的不同角度進行拍攝，采集成百上千張圖像，選用樹莓派接入云端大數(shù)據(jù)，并通過樹莓派將圖像上傳至云端，利用編寫的程序完成云端與樹莓派的數(shù)據(jù)傳輸及指令下達。識別過程中，攝像頭完成圖像捕捉，并實時將拍攝圖像上傳至云端進行比對，當在攝像識別區(qū)域范圍內(nèi)有需要抓取的物品后，自動輸入圖像分析代碼到主程序，樹莓派通過運算、分析、處理，計算出所抓取物品的具體位置，最后將位置信號傳入Python程序中定量定時觸發(fā)機械手進行抓取。機械手主要由帶閉環(huán)控制的步進電機和三個鰭條效應(yīng)原理設(shè)計的柔性爪。學生團隊依托工程訓練教學支撐平臺，關(guān)鍵零部件柔性爪用TPU材料通過3D打印技術(shù)實現(xiàn)，最后學生通過設(shè)計、裝配、調(diào)試制作了無序異形物品抓取機械手樣機，并在教師指導下順利完成物品抓取試驗。

根據(jù)浙江省大學生工程實踐與創(chuàng)新能力大賽、大學生機械設(shè)計競賽、大學生智能機器人創(chuàng)意競賽等A類學科競賽規(guī)則，指導教師圍繞作品的程序編譯、機械設(shè)計和技術(shù)文檔三個方面對學生團隊進行答疑，團隊成員各司其職也互幫互助，并通過教師針對性輔導，實現(xiàn)了編程實踐能力、機械創(chuàng)新實踐能力、文本撰寫能力、團隊合作意識等軟硬技能的培養(yǎng)目的。采取過程匯報、現(xiàn)場競賽、文本評閱相結(jié)合方式選拔優(yōu)秀學生團隊參加對應(yīng)的A類學科競賽，并指導學生積極申報科技項目和專利[14]。自教學改革實施三年時間，由工程訓練教師團隊指導學生參加了多項A類學科競賽，榮獲國家級獎項近4項、省級獎項近24項的優(yōu)異成績；任課教師還指導學生團隊成功申報科技創(chuàng)新項目近9項、授權(quán)專利近8項；受益學生多達240人，約占改革試點上課學生總?cè)藬?shù)的60%。

積極創(chuàng)新科學合理的考核評價體系是開展“課賽結(jié)合、虛實結(jié)合、學用結(jié)合”的PBL教學模式的有力保障。利用信息化手段，制定考核評價體系，引入過程性與終結(jié)性相結(jié)合、知識技能與態(tài)度相結(jié)合、個人評價和團隊評價相結(jié)合、學生評價和教師評價相結(jié)合等考核方式；利用自主設(shè)計的競賽規(guī)則，在課程學期內(nèi)舉辦學生團隊作品功能大比拼競賽，并按一定比例劃定競賽成績等級，競賽成績?nèi)谌胝n程總成績，課賽結(jié)合、虛實結(jié)合、學用結(jié)合的教學模式貫穿于課程全過程。對學生進行全過程、多元化和綜合性的考核評價[15-16]，提高了教學質(zhì)量，達到了人才培養(yǎng)要求。

五、結(jié)論

TRIZ理論是一門系統(tǒng)化的科學方法，通過學習和遵循它的內(nèi)涵，能夠有效加快創(chuàng)新性問題的解決。工程訓練是一門培養(yǎng)學生綜合能力的重要課程，在TRIZ理論指導下，基于新工科教育理念，構(gòu)建了“理、實、賽融合”與“通、專、創(chuàng)并舉”的特色工程訓練系列課程體系，提出了“課賽結(jié)合、虛實結(jié)合、學用結(jié)合”的PBL教學模式，逐漸從傳統(tǒng)的“師徒傳幫帶”實踐教學法向“教學做評賽一體化”教學方式轉(zhuǎn)變，通過實踐探索，取得了豐碩的育人成果，學生的學習主動性和跨學科知識整合能力顯著提升，同時創(chuàng)新意識、價值觀、分析問題以及解決問題的能力也得到很好鍛煉，達到了預期人才培養(yǎng)目標，也為同類院校工程訓練教學體系改革提供理論參考。

[基金項目：浙江省高校實驗室工作研究項目“新工科視閥下的工程訓練實踐教學體系研究”（YB202260）；浙江省普通本科高?！笆奈濉钡谝慌虒W改革項目“基于新工科的工程訓練跨學科人才培養(yǎng)體系改革與實踐”（jg20220641）；浙江省高等教育學會高等教育研究課題“基于新工科的工程訓練實踐教學體系改革與實踐”（KT2023390）]

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［作者簡介：陶來華，博士，實驗師，研究方向：機電系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計、機械設(shè)計制造實踐教學與實驗室管理研究。］

（責編：賈偉）