基于TRIZ理论的土木类多...业联合毕业设计组织实施研究_陈伟.pdf

教 育 观 察JIAOYU GUANCHA2023 年 6 月第 12 卷 第 16 期高校管理基于 TRIZ 理论的土木类多专业联合毕业设计组织实施研究陈 伟,饶俊芳,蔡礼雄(武汉理工大学土木工程与建筑学院,湖北武汉,430070)摘要土木类多专业联合毕业设计组织实施中存在沟通交流欠缺、时间冲突、选题不当等问题,基于 TRIZ 理论改进的联合毕业设计组织实施模式有助于解决以上问题。首先,运用物场分析法,分析多专业联合毕业设计中存在的问题并构建物场模型。其次,按照对应的物场模型类型,找到相应的标准解。最后,将标准解与实际结合起来,可得出加强指导教师参与程度、与企业合作进行毕业设计、利用互联网平台进行数据共享、通过企业了解行业需求等改革策略。关键词土木类多专业联合毕业设计;TRIZ 创新理论;物场分析;复合人才培养;协同创新中图分类号G642 文献标志码A 文章编号2095-3712(2023)16-0001-05 2017 年,教育部将课程研究和项目实施结合起来,明确提出实施新工科建设,促进工程专业学科的整合,推动工程理学与工科融合、工工交叉、理工文渗透,孕育与产生工程交叉学科,促进跨高校、跨学科、跨专业培育工程人才。1新型建筑业在整合工程全产业链、价值链和创新链的基础上,通过系统化、集成化的设计和精益化的生产施工,涵盖了工程全部生命周期,达到了工程的高效率、高质量、低消耗。2这一转变不但对建筑行业从业者的智能化和数字化的知识体系提出了更高的要求,而且也对行业人才的培养提出了更高要求:如何在掌握基础知识的情况下,培养他们对数字信息资源的全面运用与灵活变通能力。毕业设计是高等教育最后阶段检验教学质量的一种高度综合的实践教学环节,在这一高度综合的实践教学环节上创新教学和管理模式,对探索新工科建设,提升毕业生能力具有重要支撑作用。3而以往单一的毕业设计模式存在明显不足,涉及的知识仅与本专业相关,导致学生对与本专业交叉的其他学科知识和学科之间的交叉应用内容知之甚少,没有全面思考和整体认识。4目前,学界已认识到传统单一毕业设计的不足,开始尝试联合毕业设计模式。土木类多专业联合毕业设计教学模式从实际项目出发,要求学生在设计过程中共同合作,加强沟通,参与到项目建设的各个环节。此外,在联合毕业设计中,一个项目小组通常由各专业的指导教师及学生共同组成,在小组范围内,教师可以为学生提供有效指导。5因此,推行土木类多专业联合毕业设计教学模式势在必行。然而,在实施联合毕业设计教学模式的过程中,由于涉及多专业参与,存在时间限制、选题不当等问题,严重影响了多专业联合毕业设计的推进。6因此,对联合毕业设计组织实施中存在的一系列问题进行改革是目前需要进一步研究的问题。TRIZ(theory ofinventive problem solving,发明问题解决理论)理论作为系统的问题创新解决方法学,科学地显示了各学科领域系统的内在规律,在解决复杂系统的各类矛盾方面具有独特优势。7本文拟通过在土木类多专业联合毕业设计组织实施模式中引入 TRIZ 理论,运用物场分析法,分析联合毕业设计中存在的问题,并提出解决策略,可在增强联合毕业设计的系统性及整体性的同时,引导学生在联合毕业设计中高质量地思考问题、解决问题,培养学生掌握行业内信息技术发展趋势及应用数字化技术的能力。一、土木类多专业联合毕业设计概述(一)意义1.创建专业交融平台,培养学生综合能力联合设计强调多领域、多学科的整合和交流,通过积极开展项目化设计的教学方式,增强学生的团队协作意识,并逐步提高学生处理复杂项目课题的综合技能,促使学生主动转换职业角色。联合设计可在巩固学生学科基础知识的同时,增强其知识的1收稿日期2023-02-06作者简介陈伟,武汉理工大学土木工程与建筑学院副院长,教授,博士生导师;饶俊芳,武汉理工化学土木工程与建筑学院硕士研究生;蔡礼雄,武汉理工大学土木工程与建筑学院副教授,硕士生导师。DOI:10.16070/45-1388/g4s.2023.16.028运用技能,进而促进其对工程项目的建设和建造流程的全面掌握,提高判断能力。2.解决毕业设计题目单一、缺乏跨专业融通能力的问题传统的土木类毕业设计内容通常由教师指定,设计类型较为单一,设计内容较为相似,且侧重对问题的研究,往往缺乏创新。学位课程只强调对本专业理论知识的学习与实践,缺少专业间的横向联系,忽视交叉专业知识的融合,最终导致学生知识面狭窄、合作意识淡薄、缺乏整体的大工程观、设计成果脱离实际。联合毕业设计是一种促进学生自主性学习的方式,通过融合不同的专业知识,增进不同专业之间的交流。8(二)框架土木类多专业联合毕业设计集成结构工程、工程管理、建筑学、市政工程、建筑环境与能源五个专业,涵盖建筑外观设计、结构设计、建筑节能设计、给排水设计、全过程管理等相关知识领域,以“学生为中心,教师为指导”为总体设计方针,以实际工程为依托,根据项目需要组建相关团队,详细流程如图 1 所示。前期准备方案构思师生团队组建中期成果检验最终成果答辩协同平台搭建毕业设计选题文本成果答辩PPT初步设计方案设计模型碰撞方案优化深化设计过程模拟建筑学结构工程工程管理市政工程建筑环境与能源任务分解图 1土木工程联合毕业设计组织实施流程 1.前期土木类多专业联合毕业设计以具体项目为基础,在明确设计目标和内容后,确定初步的概念设计。根据各专业的教学目标和专业特点,对各专业设计内容及成果要求进行单独的制订,并对各部分内容做出详细规定。此外,考虑到联合毕业设计需要各专业协作共同 完 成,需 搭 建 一 个 BIM(building informationmanagement,建筑信息管理)协同平台,保障多专业的高效协同和工作有序开展。2.中期在完成平台的搭建后,通过对联合毕业设计任务进行分解,分别形成设计任务书,明确各专业分工,然后着手开展专业设计与协同设计。在各专业完成初步设计内容后,利用 BIM 系列软件,对施工图进行碰撞检查。在得出碰撞报告之后,各个专业可以以报告及设计过程中的问题为依据,展开紧密的沟通,将平时所学的基础理论知识结合起来,对毕业设计内容及要求展开合理的分析,并提出合理的改进方案和优化策略。在保障技术的合理性和与专业间的协调性的基础上,满足项目的合理需求。3.终期各专业根据改进方案及优化策略,对所设计部分进行优化设计形成最终的设计方案,并对运营场景进行模拟。在跨专业联合组织基于 BIM 技术的协同毕业设计后,团队中各专业学生需将毕业设计过程中的各种设计成果、碰撞报告、设计出现的问题进行优化设计的说明并最终形成文本文件,随后展开毕业设计答辩工作,如图 2 所示。工程管理建环工程建筑工程结构工程市政工程BIM 协同平台暖通、给排水设计建筑设计结构设计技术经济分析建筑环境与能源设计图 2 各专业分工协作示意图(三)问题高校利用 BIM 协同平台实现跨专业联合毕业设计,可充分发挥各专业优势,合理分工,但在联合毕业设计组织实施过程中存在以下三个问题:1.沟通交流欠缺在联合毕业设计实践活动中,由于高校没有实践经验,在整个设计流程中资源的管理、与不同专家的沟通交流等方面都有所欠缺,即使有 BIM 这一手段,也无法取得预想成效。22.时间安排冲突各专业在毕业设计上有相应的时间顺序和空间顺序。对于结构专业来说,要等建筑专业学生将建筑方案确定下来后,才能开展施工设计。这易造成某专业学生在毕业设计过程中的某段时间任务量庞大,而另一段时间没有任务的情况,这对学生的专业能力和综合应用能力提升等均不利。3.选题不恰当当前联合毕业设计选题主要采用模拟项目或实际工程项目。模拟项目一般信息不全面、需求不清晰,设计内容也较为简单。而实际工程项目具有完整的数据及资料,建设单位要求明确,学生可以进行实地考察调研。因此,多数高校选取实际项目作为联合毕业设计选题,但其实施难度较大,且不同的实际工程项目特点不同,造成各专业毕业设计工作量不同。二、TRIZ 理论概述TRIZ 理论是以 Altshuler 为首的专家提出的发明问题解决理论,给人们提供了一套完整的、有针对性的问题解决理论与方法,帮助人们打破思维定式,以新的视角分析问题。9TRIZ 理论的应用领域从最初的技术工程领域逐步向商业、管理、教育及人文等非科技领域延伸。10-11土木类联合毕业设计涉及的内容相对较多,而且对交叉专业之间的融合度要求较高,因此在进行联合毕业设计时,既要明确各个专业的分工,又要明确专业与其他专业的内在联系,从而构成一个知识框架系统,通过知识框架帮助学生对理论知识进行深入理解,从而对交叉专业融会贯通。当前研究主要运用 TRIZ 方法中的物场方法研究和解决问题。12-13物场分析法认为一个系统空间中主要包含三种元素,即场 F、物质 S1 和物质S2。这种作用的过程,可理解为场(F)作用于一个物质(客体 S2),来影响改变另外一个物质(主体S1)。根据物场分析理论,将技术系统中出现的物理矛盾或技术矛盾,归纳总结为有效模型、效应不足模型、不完整模型和有害模型四种类型,可以分别采用图形化符号语言来表示,如图 3 所示。不完整模型FS1S2效应不足模型FS1S2有效模型FS1S2有害模型FS1S2或图 3 物场模型类型 首先,通过问题所在的子系统和问题的特点,确定问题的影响因素,并确定元素之间的场;接着,根据上述结果确定问题所在的物场模型;然后,从76 种解法中选择一个最恰当的解法;最后,将找到的解法与实际问题对照,并考虑各种限制条件下的实现方式,将其与实际操作对应,从而获得解决方案。TRIZ 理论中包含六种一般解法,如表 1 所示。根据所建立的物场模型,通过启发类比来获取原始问题的最优解方案。表 1 物场模型类型及解法模型类型一般解法效应不足模型1.用另一个场 F2,代替原来的场 F2.增加另一个场 F2 来强化原有的效应3.插入一个物质 S3,并增加另一个场 F2 用于提高有用效应不完整模型4.补齐缺失元素,增加场 F 或因素有害模型5.加入第三种物质 S3,用于阻止有害作用6.增加另一个场 F1,用于抵消原来有害场F 的效应三、基于 TRIZ 理论的土木类多专业联合毕业设计(一)沟通交流欠缺物场模型分析应用1.确定物场模型元素造成专业之间的沟通交流问题主要是由于:第一,学生实践经验少,无法正确判断信息的性质及重要程度;第二,指导教师在毕业设计过程中指导不够,导致学生对设计过程中信息性质及重要程度认识不足,且有部分指导教师在毕业设计过程中存在“放养”行为,对于学生在毕业设计中存在的不足及错误未能及时给予指导;第三,不同专业存在作息时间差,导致学生沟通交流次数过少或程度不够。以此确定沟通交流欠缺物场模型的元素分别为信息传递(F)、学生(S1)、指导教师(S2)。2.建立物场模型及确定一般解法在上述问题中,存在教师缺失的情况,除此之外,还存在因素之间作用力不足的情况,故上述问题可以表达为效应不足模型与不完整模型的结合,如图 4 所示。此问题可以通过解法 3 和解法 4,即插入一个物质 S4(互联网联台),并将 F 替换为另一个3场 F1(毕业设计数据共享行为)和补齐缺失元素来解决,改进的物场模型如图 5 所示。FS1S2S3图 4 专业之间沟通交流问题物场模型S1S4S3F1S2图 5 改进后的物场模型(二)时间安排冲突物场模型分析应用1.确定物场模型元素各学科均是在学期末进行设计,在联合设计时各学科之间有相应的顺序。出现学科间的顺序冲突问题主要在于:第一,项目的进行有着极其严格的时间次序性,这使得各学科设计的进行都有着极其严格的时间次序;第二,各学科在开展联合毕业设计活动时,均有一个“从无到有”的阶段。以此确定时间安排冲突物场模型的元素分别为建筑工程(S1)、结构工程(S2)、市政工程(S3)、建环工程(S4)、工程管理(S5)、毕业设计行为(F),建立的物场模型如图 6 所示。FS1S2S3S4S5FFF图 6 时间安排冲突物场模型2.建立物场模型及确定一般解法上述问题中虽然不存在因素缺失的问题,但是因素之间存在有害作用。此问题可以通过解法 5 来解决,即加入新的物质 S6(校外企业),改进的物场模型如图 7 所示。FS1S2S3S4S5FFFS6图 7 改进后的物场模型(三)选题不恰当物场模型分析应用1.确定物场模型元素造成联合毕业设计选题不当主要是由于:第一,指导教师对于联合毕业设计培养目标不明确,对于行业需求不清晰;第二,各专业工作量及难度分布不合理。以此确定选题不恰当物场模型的元素分别为毕业设计培养目标(F)、毕业设计选题(S1)、指导教师(S2)。建立的物场模型如图 8 所示。2.建立物场模型及确定一般解法同理,上述系统内部因素齐全,但是因素之间存在作用效应不足的情况。此问题可以通过解法 3 来解决,即加入新的物质 S3(行业企业)并引入新的场F1(行业需求)来解决,改进后的物场模型如图 9所示。FS1S2图 8 毕业设计选题不恰当物场模型S1S3FS2F1图 9 改进后的物场模型(四)土木工程协同毕业设计组织实施改进措施1.沟通交流欠缺改进措施专业之间的沟通交流可以通过插入一个物质S4(互联网平台),并增加另一个场 F1(毕业设计数据共享行为)和补齐缺失的元素来处理这些问题。在联合设计时,由于某个专业的设计改变可能引起整个项目变化,因此,应该利用互联网工具进行沟通。主要涉及两个层面的工作内容。一是利用 BIM技术进行设计协同工作,这能对跨专业的信息直接4读取,设计中任何一方都可以清晰直观地看到其他设计人员的修改情况,从而提高了设计的协同度。而且,利用 BIM 的三维碰撞检查功能,可以有效避免设计过程中出现的问题。14二是建立云数据库,要求毕业生根据技术、任务类别、用途分类设置不同学科的图纸数据库,使工程中全部的图纸和数据都能根据特定学科的图纸或数据的需求进行自动修改,同时保持图纸的一致性与有效性。2.时间安排冲突改进措施时间安排冲突可以通过加入新的物质 S6(校外企业)来解决。在目前的联合毕业设计中,建筑设计图纸及结构设计图纸是其他专业展开毕业设计的基础,而所有专业的毕业设计时间相同。高校可以通过引入校外企业,借助企业资源,先提供已有图纸,便于各专业的毕业设计工作同时开展,再利用各专业的协调能力对图纸进行修改。在整个毕业设计过程中,可以借助企业中具有丰富经验的工程师对各专业的毕业生进行毕业设计指导,加强各专业之间的衔接程度,提升联合毕业设计的专业水平。3.选题不当改进措施毕业设计选题不当可以通过加入新的物质 S3(行业企业)并引入新的场 F1(行业需求)来解决。联合毕业设计的最终目的是强化学生团队协作能力,进而逐渐增强学生解决复杂工程问题的能力,从而积极转变职业角色。而一些选题在培养目标上存在偏离。高校可以根据企业行业需求制订联合毕业设计培养目标,充分发挥双方优势,兼顾实践性与理论性,为联合毕业设计团队选择最合适的毕业设计选题。随着建筑行业转型发展和社会对复合型人才的需求日益强烈,推行土木类多专业联合毕业设计教学模式势在必行,而目前土木类多专业联合毕业设计存在沟通交流欠缺、时间安排冲突、选题不当等问题。本文根据 TRIZ 理论中物场分析模型,分析上述问题,并将标准解法与实际情况联系起来,提出提高指导教师参与程度、与企业合作进行毕业设计、利用互联网平台进行数据共享、通过企业了解行业需求等改革策略,可为土木类多专业联合毕业设计组织实施改革提供参考,从而达到锻炼学生综合分析能力、提升理论知识水平与基本实践能力的培养目标。参考文献：1 教育部高等教育司关于开展新工科研究与实践的通知EB/OL.(2017-02-23)2023-01-21.http:/ 住房和城乡建设部等部门关于加快新型建筑工业化发展的若干意见EB/OL.(2020-09-04)2023-01-21.http:/ 刘捷,饶俊芳,陈伟,等.基于“工程管理+”的土木大类多专业交叉协同毕业设计模式研究:以武汉理工大学为例J.教育观察,2022(22):62-65.4 李骏,韩利红,董萍.基于 BIM 技术的多专业联合毕业设计模式的探索、研究与实践J.中国管理信息化,2020(3):233-236.5 朱永甫,黄杰超,刘衍香,等.契合“新工科”跨专业协同毕业设计的改革与实践:以闽南理工学院为例J.高教学刊,2021(10):119-122.6 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