高职机电类专业教学改革实践

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摘要：高职院校机电类专业涉及机械设计、气动、液压、可编程控制技术、传感技术、控制技术等多个领域，为工业界提供了大量的专业人才，但该类专业学生创新能力的培养还需要加强。为此，文章提出在TRIZ创新理论独立教学之后，通过在机电类专业课教学过程中引入TRIZ创新项目式教学方法的构建和实施，让该类专业学生的创新能力的培养有了一个可操作的过程，在加强专业知识和技能的掌握同时切实培养了其创新意识和能力。

关键词：高职机电类专业；TRIZ创新理论；创新项目式教学

高职院校机电类专业涉及机械设计、气动、液压、可编程控制技术、传感技术、控制技术等多个领域，所培养的学生为当今工业界提供了大量的专业人才。但目前，在对该类专业学生的创新能力培养方面还存在很多问题。其原因在于“创新”能力是人类主观能动性的高级表现，是一种综合的、复杂的实践活动，而如果没有相关的工具或者说创新理论，创新过程的本身是难以完成的，创新能力的培养从一定程度上来说也无从谈起。为此，文章通过在该类专业教学过程引入TRIZ创新理论来解决这一问题。

1TRIZ创新理论的应用背景

传统的对于创新能力的理解认为创新是发明家灵感闪现的结果，或者是在发明创造过程中不断进行尝试以达到最优结果。针对这种难以形成方法论和理论的传统创新模式，20世纪中期，前苏联发明家阿奇舒勒通过组织1500名专家，结合解决问题过程和自然科学知识和工程技术，经过对百万计的专利进行搜集、整理、研究和归纳提炼，建立了一套系统化、实用的发明创新理论体系，即TRIZ发明问题解决理论[1]。随着苏联解体，很多TRIZ专家移民到欧美国家，在美国、欧洲等地出现了许多以TRIZ为基础的咨询研究机构，调查结果显示，TRIZ理论在这些发达地区和国家企业中的应用提高了企业的创新效率，缩短了新产品上市的周期，提高了企业的盈利能力，经过多年的发展和实践检验，该理论已经发展成为一套解决问题和开发新产品的成熟方法和理论体系，已经在世界范围内广泛应用[2]。因此，将TRIZ理论引入到高职院校机电类专业教学实施过程中，将为该类专业学生创造能力的培养提供一种可行途径。

2TRIZ理论独立教学

为了在运用专业知识前，就让学生具有创新意识，根据高职机电类专业特点，通常会预先学习机械类课程，如机械制图、气动、液压等，而TRIZ理论在解决结构设计类问题时具有有效、直观、清晰的特点。因此，在开设这些课程的学期之前，开设TRIZ理论课程，根据高职类机电专业学生的工作岗位的特点，学生面临的问题大部分是与技术相关，因此把40个发明原理和39个工程参数及矛盾矩阵的应用，还有功能分析、剪裁、特性传递作为重点来进行讲解和练习[3]。

3机电类专业创新教学模式的构建思路

3.1TRIZ融入项目式学习与教学

为了将创新融入项目式教学中，具体过程是在教学项目实施过程中加入创新情景、创新步骤和创新工具。创新情景的提出要以项目学习为载体，应以学生日常生活或相应专业领域实际问题为依据，是创新实践的开端。创新步骤和创新工具是创新实施过程的核心，为了让这个过程具有可操作性，这里引入TRIZ创新理论和方法。

3.2创新式教学项目的选题内容

对于高职机电类学生，最好是结合工业生产过程中的实际问题作为项目选题范围，然而，对于目前高职教育背景，如果能结合学生日常生活环境来选择其所关心和好奇的事物也可以。在实际教学实施过程中，通常以一个学期为一个周期，让学生自由组队，针对选题原则，结合本学期所学专业知识开展一到两个项目进行探索研究，在这个过程中学生不仅会用到所学的知识和技能，也会用到TRIZ创新方法和理论，达到培养其创新能力的目的[4]。

4基于TRIZ的创新项目实施过程

4.1提出问题

根据选题原则，让学生发现真实场景中的问题，并加以解决，能高效掌握专业知识的同时切实体会到创新的价值。如果实际的工业生产过程，学生还没有真正实践过，指导教师可以拍摄要解决工业生产过程相关的问题让学生观看，也可以选择身边所遇到的问题。比如，快递物品在仓储转运或投递过程中，需要快递从业人员进行搬运，随着快递行业蓬勃发展，快件的日益增多，这种搬运工作势必会增加从业人员的工作量和劳动强度。有时由于快递货物的投件量瞬间爆发，很多快递会聚集在快递货物集散地、快递中转站，短期面临搬运难的问题，特别是比较重的快件，没有大型设备的帮助，搬运此类物品往往没有高效的方法，而是人力一次又一次的运送单一快件，很难满足快件短路径运输需求，更重要的是此种反复搬运动作对人的身体也会造成较大伤害。因此，能否在现有常见运货小推车的基础上进行创新，研制一种结构合理、使用方便的助力小推车。

4.2融合TRIZ理论的创新过程

本环节是创新能力培养的主体，学生要运用在先行的TRIZ理论学习过程中所掌握的相关创新工具对遇到问题进行分析，找到上面提出问题关键冲突，然后利用冲突矩阵找到相应发明原理，最后从获得的解决方案中找到可行最优方案。这种小推车，能有效帮助工作人员进行快件短路径搬运，但工作人员在面对大量的快件时，不得不重复进行弯腰和屈膝的动作，当小车上装满货物时，还要人力拉动，在对工作人员身体产生影响的同时也影响了工作效率。通过TRIZ功能分析工具，最后得出如图2所示的功能建模图，也可以用TRIZ九屏分析工具来分析问题流程[5]，得到如图3所示的九屏图。针对功能分析工具分析问题流程，提出功能导向搜索解题方法，首先确定要解决的问题是需要在搬运快件过程中，减轻快件对腰和膝盖的磨损。需要改善的特定功能是使用助力装置能够上下、前后移动。所需要的参数是弯腰、屈膝的角度不大于30°。具体功能转化为一般功能是减轻腰、膝盖和脚的压力，减少弯腰、屈膝的次数。然后确定领先领域即电梯上下运载货物以及电能助力领域。从领先领域选择的技术可得电梯的升降技术、电动助力车技术。最后识别次级问题即如何使平板像电梯一样上升、下降及如何使小推车由电能助力进行向前向后移动。通过九屏分析工具分析问题流程，提出物场模型解题方法，如图4所示。

4.3通过TRIZ分析后得出全部技术方案

方案1：在小推车上增加液压系统，使小推车的载物板能够上升和下降。减少搬运过程中的弯腰、屈膝动作。方案2：在小推车上增加电能，当小推车有货物时，进行助力。方案3：在快件运输车的车厢尾部安装一个辅助快件吊装夹具。在分析和对比上面三个方案后，通过把方案1和方案2结合起来，产生最终的问题解决方案。具体如下：增加电能驱动，当小推车在负重移动时，减轻使用的推力。通过设计齿轮换挡、传动机构来改变电能的输出方向，当快递运输车车厢底部和小推车载货板不在同一平面时，使小推车载货板能够上升或下降，以减少搬运货物时，人体的弯腰、屈膝动作，以达到减轻这些部位磨损的目的。

5高职机电类专业知识在TRIZ创新方案中的使用

为了实现小车的运输和升降功能的稳定性，小车采用金属框架作为主体结构，电池和电机作为动力源，换挡齿轮箱作为动力水平、垂直方向的切换机构，在小车平台与地面相对水平时，切换至升降挡位，进行对平台的升降控制。支撑架每个点分别加入一条支撑杆，使其不易变形，具有更好的稳定性。在传动方面，小车水平移动的动力轮采用链条连接，通过变换挡位直接把电机的动能传送到轮子。在市场上，小车的升降平台几乎都是液压传动，因为还需要人力作为动力源，这样达不到省力的目的，而本设计运用齿轮丝杆传动，使用同一个电动机作为动力源，这样既节省了体力又不用再多增加一个动力源，简化了了小车的机械结构的同时，又达到了节能的效果。

5.1动力转换齿轮箱的设计

动力转换齿轮箱利用两个传动齿轮的位置差异，通过花键齿轮位置的改变进行动力切换，有升降和平移的挡位，从而控制小车的平移和小车平台的升降，仿真和实物图如图5、图6所示。

5.2折叠升降杆的设计

电动机作为升降平台的动力源，丝杆升降机是由蜗轮减速机和升降丝杆组成，其减速部件是蜗杆传动，利用蜗杆带动蜗轮实现减速。蜗轮中心是内螺纹结构，相当于升降丝杆的螺母副，和升降丝杆相匹配。升降速度等于蜗杆输入转速除以蜗轮蜗杆的减速比，然后乘以升降丝杆的螺距。通过蜗轮副减速传递扭矩，并由丝杠转化为直线运动的机构，该设计如图7、图8所示。

5.3把手及固定控制板部分

把手的下半部分有一节水管固定在小车上，上半部分用不锈钢，美观精致，套入下半部分，可以根据使用者的身高来调节把手的高度，符合人体力学。把手的中间部分是显示器，可以显示速度和电量，拉压力传感器固定在把手顶端，在推动小车的时候就可以把拉压力的大小传送到单片机上，进而控制电机的启动和转速，如图6所示的黄色标识部分。

6项目测试与评价

本环节是学生在完成其项目作品模型后进行测试，验证是否达到项目预期，并形成项目实施报告。每个小组在期末展示其作品的结构功能，阐述形成项目解决方案是用到的TRIZ创新工具和方法，分享在方案实施过程中所用到的专业知识和关键之处、心得体会等。通过各个小组用到的专业知识、技术、经验的分享，拓展每个学生的视野，让每个学生的学习效果达到最优。

7结论

在校期间，是培养高职机电类专业学生创新意识和创新能力的最佳时机，在每个学期实施TRIZ理论与专业知识技能融合的创新项目教学，为学生的创新能力培养提供了理性的可操作途径。在广西机电职业技术学院高职机电类专业建设中，通过具体而真实的项目引入，能够激发学生的学习热情和兴趣，通过TRIZ创新方法的融入，提高了学生的创新能力。而且在应用TRIZ理论得出最终解决方案的过程中，每个小组可以得出各种方案，防止学生互相抄袭的现象，提高了学习质量，并且可以为其他专业学生的创新能力培养提供参考。

参考文献：

[1]程炜.TRIZ理论渗入高职学生创新活动的实践探索[J].安徽电子信息职业技术学院学报，2017，16(1)：55-59.

[2]何敏，黄百祺，程学勋.TRIZ理论在高职学生创新教育中的应用[J].现代教育论丛，2017(6)：76-79+85.

[3]史诺，刘琼，付建军，等.基于TRIZ的机械类应用型创新人才培养研究[J].辽宁高职学报，2019，21(5)：52-55.

[4]王永，陈刚，谢莉，等.TRIZ创新理论在高职教学中的应用研究[J].科教文汇(中旬刊),2018(4)：7-9.

[5]孙永伟.TRIZ打开创新之门的钥匙［M］．北京：科学出版社，2015：173-177.

作者:黄金来 陈卫国 单位:广西机电职业技术学院