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90 萍乡学院学报 2023 年 第 40 卷第 3 期 萍乡学院学报 2023 年 6 月 Vol.40 NO.3 Journal of Pingxiang University Jun.2023 基于TRIZ理论的机器人工程专业的课程教学方法探索 王智慧，王成军（安徽理工大学 人工智能学院，安徽 淮南 232001）摘要：课题组以培养创新型人才为目标，分析目前机器人工程专业的教学现状，将 TRIZ 理论应用到专业课程的教学中，运用 IFR 分析法、鱼骨图分析法、技术矛盾、提高理想度法则分析并解决教学中存在的问题，提出一种“闭合”式教学方法，实践结果表明，该方法在培养学生的思维能力、创新能力与实践能力方面取得了较好的效果。关键字：TRIZ 理论；机器人工程；专业课程；教学方法；“闭合”式 中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2095-9249（2023）03-0090-05 0 引言 目前机器人产业正蓬勃发展，其应用领域涉及工业、农业、矿业、医疗、教育等1。我国的机器人专业人才缺口巨大，越来越多的企业面临设备易得，人才难求的局面。高等院校肩负着人才培养的重要使命，2015 年机器人工程被列为本科专业，2019 年机器人工程专业开始招生，当下我国拥有机器人工程专业的高等院校有322 所。机器人工程专业以培养社会责任感、职业道德、人文素养和创新精神为基础，能够胜任机器人结构设计，系统集成，技术开发，现场安装、调试与应用维护等工作的高素质人才。如何将创新教育融入机器人工程专业，发挥创新教育的系统性与连续性是当前“双创”教育的难点。TRIZ(Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch)理论是一套系统化的、实用的解决发明问题的方法，其理论与原理适用于各领域的创新方法探究2。设计者运用 TRIZ 理论能够系统地分析问题，快速地找到问题的本质，以新的视角分析问题，找到具有创造性的解决方案3。将 TRIZ 理论应用到专业课程中，是促进专业教育与创新创业教育融合的重要途径。本文将 TRIZ 理论融入机器人工程专业的教学方法中，培养学生的创新思维与解决复杂实际问题的能力。1 TRIZ 理论在高等教育中的应用概述 TRIZ 理论最早应用在企业推广中，随后被引入到高等学校，耶鲁大学、麻省理工学院等院校将 TRIZ 理论作为创新教育的方法；近年来，清华大学、北京理工大学等全国各地院校相继开设了TRIZ创新思维与方法的课程。同时，国内很多学者对 TRIZ 理论应到高等教育中发表了重要看法。黄文静等4阐述了目前电气专业教育存在的问题并提出将TRIZ理论的各种创新方法融入电气专业的不同课程教育中，培养学生的创新意识、创新思维和创新能力。焦连志5提出新工科大学生创新人才的培养如同 TRIZ 理论一般具有其成长规律。范亚丽等6提出基于 TRIZ 理论的创新教育能够为学生构建更多的、丰富的教育模式。张秀萍等7提出将 TRIZ 理论应用到大学物理课程教学中，可以有效整合教学资源，增强学生的应用能力，培养学生的创新思维。孙文峰等8将提出 TRIZ 理论应用到大学教育课程中可以分为两部分，第一部分 TRIZ 理论单独授课，第二部分是将 TRIZ 理论融入各项课程之中，开发学生的思维与创造能力。综上所述，将 TRIZ 理论融入创新教育与专业教育中，可加深学生在专业学习中对知识的理解与应用，突破固有思维的框架约束，形成创新性的思维模式。本文将 TRIZ 理论引入专业课程教学方法中，提出“闭合”式教学方法。2 机器人工程专业课程教学现状 机器人工程专业的建设与发展正处于上升趋势，从学生个性化差异、授课模式、专业属性及考核方式四个方面分析目前机器人工程专业课程的教学现状。学生个性化差异：“学科交叉与交融”是机器人工程专业最显著的特征，其涉及的知识内容综合性较强。不同地区的学生所受的基础教育水平不一样，学生的个性化差异较大，主要体现在：有的学生更加依赖于教师指导，有的学生善于独立思考，有的学生则喜欢与他人投稿日期：2022-09-11 基金项目：安徽省质量工程项目“创新创业教育”（2020 xsxxkc152）；安徽省创新方法推广应用与示范基地开放基金“创新方法在机器人工程领域的推广与应用”（2022AHIMG04）作者简介：王智慧（1996），女，江苏涟水人，助教，硕士，研究方向：智能机械与机器人、应用创造学。第 3 期 王智慧，王成军：基于 TRIZ 理论的机器人工程专业课程教学方法探 91 讨论，有的学生善于主动学习，但是也有很多学生养成了被动学习的习惯等。善于主动学习和独立思考的学生能快速理解与应用专业知识，而基础较薄弱且养成被动学习的学生在课堂上对专业知识的理解较为困难，日积月累导致这部分学生对专业学习会逐渐无措，甚至出现弃学与厌学现象。授课模式：传统的课堂教学以教师为中心，教师往往以“填鸭式”向学生输送海量知识，学生逐渐养成了被动学习的习惯，学习缺乏主动性，团队合作意识淡薄。专业属性：在传统的教学模式下，学生知识的获取来源于课堂，机器人专业属性对学生的实践能力要求更高，而课堂教学及配套实验远远达不到对学生较强实践能力的培养要求，特别是涉及机器人的生产、制造、维护及工业场景应用等方面。考核方式：传统考核方式采取“70%期末考试成绩+30%平时成绩”的方式，考试内容多偏理论题型，平时成绩主要考查学生的作业、出勤等，存在一定的局限性，不能真实反馈学生的学习效果。3 基于 TRIZ 理论的教学方法探索 3.1 运用 IFR 分析学生个性化差异 IFR 即最终理想解（Ideal Final Result，IFR），是采用与技术无关的语言对需要创新的原因进行描述9。针对学生个性化差异采用 IFR 进行分析，分析流程如图 1所示。定性定性定疑定标定解充分了解学生个性化差异，在此基础上让每位学生在课堂上都能理解专业知识，在课后能够学以致用。让每位学生在课堂上都能掌握专业知识并能够学以致用。学生的基础教育不同，课堂上因时间限制教师不能照顾到每一位学生。基础薄弱的学生，可能因此学习越来越困难，甚至出现弃学与厌学现象。教师充分了解每个学生的学习基础，改善课堂模式。图 1IFR 流程图 根据图 1 可知创造定解的可用资源分别是教师、学生基础与课堂模式，得到的解决方案：教师罗列专业课程所需的具体基础知识，在课程开始之前对学生进行问卷调查，既能引起学生对课程的兴趣，又能充分了解每个学生的基础情况，然后进行分组，形成“强弱闭合圈”的团队，达到以强带弱的效果，实行队长轮流制，培养学生的责任感，让每位学生无论课上还是课下都能积极参与到专业课的学习中。3.2 鱼骨图分析法在授课模式中的应用 鱼骨图分析法是指把问题及原因采用类似鱼骨的图样串联起来。鱼骨图主要由特性、主骨、大骨、中骨、小骨、孙骨及要因等组成，特性为某种现象或待解决的问题，通过大骨将要因与主骨连接起来，中骨用来描述事实，小骨是中骨的子因，孙骨是小骨的子因，通过层层细分找出该现象存在的根本原因104951。根据鱼骨头分析法的定义找到授课模式的特性为学生被动学习，团队合作意识淡薄，要因有教师个人因素、学生个人因素与课堂模式，如图 2 所示。进一步分析学生被动学习、团队合作意识淡薄存在的原因：1)理论内容本身比较枯燥，学生参加过多的课外活动导致对课程兴趣较低；2)教师身兼多职及科技前沿动态更新太快导致教师备课不充分；3)教师对学生基础情况了解太少，受地区教育影响，部分学生受传统授课模式影响而造成教师与学生之间互动较少。学生被动学习，团队合作意识淡薄。教师个人因素学生个人因素课堂模式教师备课不充分教师兼职较多，较繁忙理论内容枯燥学生参加过多课外活动，对学习不上心科技前沿动态更新太快教师与学生之间互动较少学生人数较多，课堂时间有限教师对学生了解不多受地区教育影响，部分学生对传统的授课模式根深蒂固图 2 鱼骨图分析法 针对以上分析得到的解决方案课前发放预习资料、拓展资料、视频资料等，在课堂开始前通过让学生自行搜索某个案例、比赛、新闻及生活中存在的实际问题作为导入来吸引学生的注意力，课堂中通过微信小程序的问答环节让每个学生都参与作答，课后作业更多考查学生的团队合作能力与动手实践能力，如：学生以团队合作的形式用手机记录运用本节课堂某个知识点解决现实问题的视频、以团队合作形式完成相关专业课程内容的汇报、以团队的形式分工合作共同完成一项相关课程的科研论文等，让每位学生都参与其中，在课堂与课后形成闭合循环的新授课模式，培养学生主动学习与团队合作的意识。3.3 运用技术矛盾分析机器人工程专业属性 技术矛盾是指一个系统存在的多个评价参数中某两个基本参数，改善其中一个参数时，另外一个参数会92 萍乡学院学报 2023 年 相应变差11。运用技术矛盾解决问题的步骤：1）分析问题，找到技术矛盾；2）确定矛盾参数，找到改善参数与恶化参数；3）建立矛盾矩阵表，得到的相应的发明原理；4）根据发明原理的定义描述寻找解决方案。根据机器人工程专业属性要求培养的学生具备较高的实践能力，学生实践能力的提高可以通过以下两个途径来实现：1）改善课堂教学与配套实验条件；2）增加学生的实践机会，通过改善课堂教学与配套实验条件可以提高学生的实践能力。随之带来的问题就是，部分在岗教师由于年龄和之前所接受的教育方式等因素，在一定程度上会存在无法适应最新的配套实验课程的情况。改善课堂教学与配套实验条件可以提高学生的实践的能力，但这与部分在岗教师无法适应最新的配套试验课程形成矛盾。确定矛盾参数，改善参数：改善课堂教学与配套试验，选择对应的通用工程参数为可制造性32，恶化参数：教师与学生的适应性受到影响，则对应的通用工程参数为适应性 35。另外，通过增加学生实践机会来也可改善目前学生实践能力培养受限的情况，但同时也会影响教师和学生对课程的适应性。这两者之间也构成一对矛盾关系。确定矛盾参数，改善参数：增加学生实践机会，相对应的通用工程参数为质或事物的数量 26，恶化参数：教师与学生的适应性受到影响，建立矛盾矩阵表，如表 1 所示。表 1 TRIZ 矛盾矩阵表 改善参数 恶化参数 发明原理序号 32 可制造性 35 适应性 2,13,15 26 物质和事物的数量 35 适应性 15,3,29 查找矛盾矩阵表得到的发明原理序号分别是：2、13、15、3、29，即抽取原理，反向作用原理，动态化原理，局部质量原理，气压与液压结构原理。根据抽取原理的定义描述：(a)从物体中抽出产生负影响的部分或属性；(b)从物体中抽出必要的部分或属性1078。这里抽出的必要属性与负影响属性分别是“提高学生的实践能力”与“部分在岗教师无法适应最新的配套试验课程的情况”，得到的解决方案：增加校企合作，通过校企共建机器人实验室，聘用企业人才作为兼职教师，引进生产新技术、新工艺、新规范。方案：定期开展教师进企业进行先进机器人技术培训的活动。反向作用原理定义描述有：(a)用相反的动作，代替问题定义中所规定的动作；(b)让物体或环境，可动部分不动，不动部分可动；(c)将物体上下颠倒或内外翻转1084。动态化原理的定义描述：(a)调整物体或环境的性能，使其在工作的各个阶段达到最优状态；(b)分割物体使其各部分可以改变相对位置；(c)如果一个物体是静止的使其移动或可动107879。根据反向作用原理的(b)定义描述与动态化原理的(a)定义描述得到的解决方案：完善校企合作机制，为每一届的学生建立四年的校企双元育人的实践教学体系，让一直待在校园的学生“动”起来，学生利用暑假时间到企业进行实践学习，制定相应的企业培训计划：大一了解行业、职业、岗位知识，大二初步掌握技术员所具备的理论和技术要求，大三达到技术员的职业要求，大四初步掌握助理工程师所具备的理论和技术要求。局部质量原理的定义描述：(a)将物体、环境或外部作用的均匀结构，变为不均匀；(b)使物体的不同部分，各具不同的功能；(c)物体的各部分、均处于完成各自动作的最佳状态1096。根据局部质量原理的(b)定义描述，得到的解决方案：可试行科研班主任制度，聘请青年教师担任其班主任，发挥青年教师与大部分大学生在年龄上相近，对新事物的看法接近或有共同的兴趣点等优势，启发大学生的科研兴趣，通过积极引导学生参加各种技能大赛，如，大学生创新方法大赛，大学生工业机器人大赛、“挑战杯”全国大学生课外学术科技作品竞赛等来提升学生的实践和创新能力。气压和液压传动原理是指将物体的固体部分用气体与液体代替，此原理对问题的解决贡献有限，故不采用。3.4 运用提高理想度法则对考核方式进行改进 提高理想度的本质上是指人类不断改用技术系统使其速度更快、更好和更廉价12。将理想度公式应用到教学考核方式中，传统的考核方式是“70%期末考试成绩+30%平时成绩”，考试成绩侧重考察书本的理论知识，平时成绩侧重考查学生的出勤率与课后书面作业，得到传统的考核方式的理想度公式为：12112BBIHH+=+(1)式中，I1为传统考核方式的理想度，B1为平时成绩，B2为考试成绩，H1为考试内容偏重理论知识占比，H2为平时成绩中考察学生出勤率占比。代入表 2 中传统考核方式的各参数占比，得到理想度I1的值为1.11，I11，说明该考试方式有一定的成效，但是理想度不高，主要原因是卷面成绩的占比很大，而卷面成绩中的理论题型占比很大，部分学生为了考核过关往往采取考前突袭准备，死记硬背，不利于培养学生第 3 期 王智慧，王成军：基于 TRIZ 理论的机器人工程专业课程教学方法探 93 解决实际问题与开拓创新的能力。因而对传统考核方式进行改进，改进后的考核方式的理想度公式如下：123212BBBIHH+=+(2)式中，I2为改进后的考核方式的理想度，B3为实践成绩。表 2 考核方式各参数占比 参数 传统考核方式 改进后的考核方式 B1 30%40%B2 70%40%B3 0 40%H1 90%25%H2 90%30%I1 1.11 I2 4.62 改进后的考核方式中增加了实践成绩，且实践成绩的比例与平时成绩、卷面成绩相同，均为 40%。考试题型中的基础题型即记忆题型占比 40%，理解性题型占比30%，综合应用性题型占比 30%。对平时成绩也进行了改进，除了出勤率(占比 25%)与课后作业(占比 25%)以外，还增加了课堂互动成绩(如回答问题、提出问题)，占比 25%，阶段性测验占比 25%，课后作业除了书面作业外，还增加了个人演示等。实践成绩的考核方式有：课后以视频的形式用专业知识解决实际问题、积极参加学科竞赛、参与科研项目、以小组的形式共同完成科研论文等。将表 2 中各参数代入公式(2)中得到改进后的考核方式理想度 I2的值为 4.62，相较于 I1明显增大，表明改进后的考核方式具有一定的优越性。改进后的考核方式呈现“多元化，多层次”的特点，从课堂学习、平时学习表现与专业实践学习等多个维度对学生进行综合考核，培养学生团队合作意识、主动学习能力、逻辑思维能力、动手操作能力、对专业知识的应用能力与创新能力。3.5“闭合”式教学方法 根据以上方案可以得到：1)做好专业课程前期准备：进行问卷调查来了解学生的基础状况，针对学生个性化差异，进行分组，形成“强弱闭合圈”。2)对传统授课模式进行改进：充分发挥手机的多功能用途使学生在课前、课中、课后都与教师紧密联系起来，形成以学生教师双主导的闭合循环的授课模式。3)完善校企合作机制，建立校企双元育人的实践教学体系，引进企业人才与技术、组织教师进企业进行先进机器人技术培训，试行青年班主任制度，引导学生参加技能大赛、增加学生实践机遇从而提高学生的实践技能。将以上方案纳入学生考核方式中，形成最终的“闭合”式教学方法，如图 3 所示。让学生在课前、课中、课后与教师之间形成“闭合”，让课堂教育与实践教育通过考核形成“闭合”，实现平时学习、课堂教育、实践教育均等化占比考核，提高学生自主学习、团队合作、实践创新等能力。学生学生问卷调查课前预习资料等分组科研竞赛科研竞赛课后课前平时成绩40%实践成绩40%卷面成绩40%考核方式考核方式出勤率25%出勤率25%课堂互动25%课堂互动25%课下作业25%课下作业25%阶段性测试25%阶段性测试25%记忆性题型40%记忆性题型40%理解性题型30%理解性题型30%综合性题型30%综合性题型30%教师教师企业企业企业实践企业实践班主任制度班主任制度“校企双元育人”“校企双元育人”以视频的形式专业知识解决实际问题25%以视频的形式专业知识解决实际问题25%参加科研竞赛、科研项目25%参加科研竞赛、科研项目25%以小组的形式共同完成科研论文25%以小组的形式共同完成科研论文25%课程试验报告的撰写25%课程试验报告的撰写25%微信小程序问答微信小程序问答案例、新闻等案例、新闻等课中 图 3“闭合”式教学方法流程图 4 结论 本文阐述了 TRIZ 理论在高等教育中的应用状况，分析了目前机器人工程专业课程教学现状。应用 IFR 分析学生个性化差异并提出相应的解决方案，根据鱼骨图层层剖析并解决传统授课模式中存在的问题，运用技术94 萍乡学院学报 2023 年 矛盾解决机器人工程专业要求学生实践能力高而课堂配套教学实验远远不足的问题，应用理想度公式计算传统考核方式并进行了改进，最后提出一种“闭合”式教学方法。通过以上方案的实施，教学效果明显提高，调动了学生主动学习的积极性，强化学生团队协作的能力，有利于培养具备创新思维、专业过硬的创新型人才。参 考 文 献 1 孙明晓,栾添添,尤波,等.新工科背景下机器人工程专业创新实践体系分析与思考J.高教学刊,2022,8(18):3336+40.2 张肃,邹晓红.TRIZ 理论对我国大学生创新创业能力培养的启示J.延边大学学报(社会科学版),2018,51(5):125130+144.3 李梅芳,赵永翔.TRIZ 创新思维与方法理论及应用M.机械工业出版社,2018：34.4 黄文静,张茜,李俊婷.TRIZ 理论融入电气自动化技术专业教育的应用研究J.现代制造技术与装备,2021,57(11):219221.5 焦连志.基于 TRIZ 理论的新工科大学生创新型人才培养J.创新,2021,15(1):107116.6 范亚丽,刘晓娟.基于 TRIZ 理论分析高校创新创业教育模式的改革途径J.长春大学学报,2020,30(10):6366.7 张秀平,邱敏,曲凤成,等.基于 TRIZ 理论大学物理课程教学与创新教育融合的研究J.教育教学论坛,2019(31):178179.8 孙文峰,白丽丽,杨莉,等.TRIZ 理论融入大学教育课程中的必要性J.黑河学院学报,2020,11(6):1920+38.9 廖宇生,杨雄勇,杨帆.基于 TRIZ 理论中理想解的工业设计创新研究J.艺术与设计(理论),2007(5):125126.10 李梅芳,赵永翔.TRIZ 创新思维与方法理论及应用M.机械工业出版社,2018.11 姚璐,阮仕立,李记明,等.TRIZ 技术矛盾创新方法在葡萄酒酿造酵母菌种保藏中的应用J.现代食品,2022,28(4):7982.12 李兴东,张玉敏,付全通.提高理想度法则视角下两种煤矿安监方式的对比选择研究J.内蒙古煤炭经济,2015(3):1618.责任编校：吴侃民 Exploration on the Teaching Method of Robotics Engineering Specialty Course Based on TRIZ Theory WANG Zhi-hui,WANG Cheng-jun(School of Artificial Intelligence,Anhui University of Science and Technology,Huainan Anhui 232001,China)Abstract:Taking cultivating innovative talents as the goal,the paper proposes a“closed”teaching method by analyzing the current teaching status of robotics engineering,applying TRIZ theory to the teaching of professional courses,and using IFR analysis,fishbone diagram analysis,technical contradiction,and the law of improving the ideal degree to analyze and solve the problems in teaching.Teaching results show that this method is very effective in cultivating students thinking ability,innovation ability and practical ability.Key words:TRIZ theory;Robotics Engineering;professional curriculum;teaching method;“closed”mode