基于TRIZ的大学生自主创新能力教学方法

本专利运用TRIZ和建构主义学习理论建立高等教育领域的教学方法，尤其涉及一种基于TRIZ的大学生自主创新能力教学方法。 

党的“十八大”报告指出：“要坚持走中国特自主创新道路，以全球视野谋划和推动创新，提高原始创新、集成创新和引进消化吸收再创新能力，更加注重协同创新。”因此，在国家创新战略背景下培养自主创新人才，研究大学生自主创新能力的提升路径，已成为我国高等教育面临最重要的任务。“自主创新，方法先行”是提高大学生自主创新能力的技术路线。国家发改委、教育部、科技部和中国科协印发了《关于加强创新方法工作的若干意见》，被欧美西方发达国家誉为“神奇点金术”的TRIZ作为重点推广的创新方法。 

TRIZ是“发明问题解决理论”的俄语缩写，是由前苏联发明家阿奇舒勒创立的。他和他的同事分析了全世界250万个高水平的发明专利后，惊奇的发现这些专利在重复着40种工作，经过研究和总结，出了这些专利背后所隐藏的40个发明原理，然后综合多学科领域的原理和法则，建立起了TRIZ体系。经过60多年的不断发展，TRIZ已经成为当今创新问题或解决技术问题的先进创新方法之一。 

自主创新能力包括三种能力：一是原始创新能力——获得科学发现、科学理论和科学技术的能力；二是集成创新能力——各种相关技术有机融合，实现关键领域的整体突破的能力；三是引进消化吸收再创新能力——利用全球科技存量，形成后发优势加快发展的能力。 

本项目运用的建构主义学习理论，是瑞士心理学家皮亚杰和前苏联心理学家维果茨基等学者奠定的。建构主义学习理论强调以学生为中心，不仅要求学生由知识的灌输对象转变为知识的主动建构者，而且要求教师由知识的传授者转变为学生主动建构意义的帮助者。在建构主义学习理论中，成熟的教学方法有抛锚式教学、支架式教学和随机进入式教学。 

为了深入贯彻党的十八大“实施创新驱动发展战略”，我们运用TRIZ和建构主义学习理论，建立大学生自主创新能力教学模式，分别采用抛锚式教学培养原始创新能力、支架式教学培养集成创新能力和随机进入式教学培养引进消化吸收再创新能力，更加注重培养协同创新能力，加速自主创新人才培养。 

本发明公开了利用TRIZ和建构主义学习理论，将大学基础课程实验的仪器和《10000个科学难题》书中的相关先进仪器相联系，研究仪器的技术进化路线，建立大学生自主创新能力提升路径教学方法。以迈克耳孙干涉仪为例说明其教学方法：首先采用抛锚式教学，从源头对初级仪器——贾民(Jiman)干涉仪进行分析，根据TRIZ矛盾矩阵表推荐的八个相关发明原理作为技术进化路线，使用三个发明原理将初级仪器——贾民(Jiman)干涉仪进化成中级仪器——迈克耳孙干涉仪，运用TRIZ培养大学生的原始创新能力；其次采用支架式教学，使用剩余五个发明原理将中级级仪器——迈克耳孙干涉仪进化成高级仪器——地面引力波测量装置，运用TRIZ培养大学生的集成创新能力；最后采用随机进入式教学，对高级仪器——地面引力波测量装置相关的科学难题进行分析，根据TRIZ矛盾矩阵表推荐的七个发明原理作为技术进化路线，将高级仪器——地面引力波测量装置进化成尖端仪器——空间激光干涉引力波探测器，并预测科学难题的结果，运用TRIZ培养大学生的引进消化吸收再创新能力。本发明可以结合大学基础课程实验研究国家创新战略相关项目仪器的技术进化路线，总结科学仪器的技术进化规律，培养大学生自主创新能力。

本发明的有益效果是，原理简单实用，操作方便，便于教学和科研等应用价值。 

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 

图1是贾民(Jiman)干涉仪光路图。 

图2是迈克尔孙干涉仪光路图。 

图3是地面引力波测量装置光路图。 

图4是空间激光干涉引力波探测器光路图。 

图1中S为激光器以及两块等厚度的玻璃块。 

图2中1.激光器；2.透明玻璃；3. 半透明半反射玻璃；4. 透明玻璃；5. 反射镜；6. 透明玻璃；7. 反射镜；8. 毛玻璃屏。 

图3中1.激光器；2.循环镜；3.半透明半反射玻璃；4. 相位调节器；5.反射镜；6.相位调节器；7.反射镜；8.光电二极管；9.差分器；10.相关器。 

图4中1. 航天器1；2. 航天器2；3. 航天器3；4. 地球；5. 太阳。 

本发明公开了一种基于TRIZ的大学生自主创新能力教学方法。。下面以迈克耳孙干涉仪为例，说明如何建立其教学方法。 

．探求原始创新规律  培养原始创新能力  

建构主义学习理论的抛锚式教学，是温比尔特认知与技术小组，在约翰·布朗斯福特的领导下，开发的以技术学为基础的教学范型，所谓“锚”,就是技术型问题的情境。抛锚式教学要求建立在有感染力的真实事件的基础上。我们运用抛锚式教学，从源头呈现教学内容产生的真实事件，强化学生的实际应用能力，引导学生从历史角度研究科学发现的规律，运用TRIZ培养学生探索自然界规律的原始创新能力。以迈克耳孙干涉仪为例，培养原始创新能力按以下五个环节进行。

创设情境

创设情境使学生的学习在现实情况基本一致的情况中进行。因此，以视音频资料、PPT课件、网站资源和实验仪器组成立体化教学环境，让时光倒流到源头——迈克耳孙干涉仪产生时的真实事件。1880年，美国物理学家迈克耳孙在柏林大学的H.V.亥姆霍兹实验室，在探测地球在“以太”中运动时，将贾民干涉仪改进成迈克耳孙干涉仪。我们通过实验对贾民(Jiman)干涉仪进行分析，如图1所示，贾民(Jiman)干涉仪的干涉条纹明亮度比较高，但是两相干光束A和B分开的间隔与平行玻璃板厚度有关，这一间隔通常比较小, 限制了一些实验，因此仪器系统的适应性较差。根据2008TRIZ矛盾矩阵表，应该改善仪器系统的“适应性”，然而减弱（恶化）干涉条纹的“明亮度”。“适应性”和“明亮度”的工程参数序号分别为32及23，在矩阵表中，第32行与23列交叉处所对应的矩阵元素的数字为推荐的发明原理序号，即1、32、35、24、17、19、28、26，根据TRIZ推荐的8个发明原理作为技术进化路线，使用前三个发明原理将贾民干涉仪进化成迈克耳孙干涉仪，

表1  2008TRIZ矛盾矩阵表

根据TRIZ推荐的发明原理1分割：将物体分割独立的部分。将图1中的两块玻璃分割成六块较薄玻璃，分别放置图2中2、3、4、5、6和7。

发明原理32改变颜：改变一个物体的透明度。将图2中3玻璃改变为半镀银玻璃板，使其为半透明半反射玻璃。 

发明原理35改变特性：改变浓度或密度。在图2中，改变3半透明玻璃成分的浓度，使A线和B线间隔分开后更清晰；改变玻璃5和7部分成分浓度，将其改变成反射镜，3、4和6仍然是透明玻璃。 

以上三个发明原理将贾民干涉仪进化成迈克耳孙干涉仪，如图2所示。迈克耳孙发明了此干涉仪并使用其进行基本度量学研究获得1907年诺贝尔物理奖，他是第一位取得这种荣誉的美国人。 

确定问题

在上述情境下，学习主题密切相关的真实性事件就是“锚”，迈克耳孙实验就是“锚”。运用多媒体呈现当时迈克耳孙实验的真实事件。

自主学习

自主学习不是由教师直接告诉学生应当如何去解决面临的问题，而是由教师向学生提供解决该问题的有关线索。

协作学习

学生仿照上述实验真实情景，按照教师供解决该问题的有关线索，使用迈克耳孙干涉仪，强化学生的实际应用能力。根据方程，波长λ = 2 Δd/Δk   移动反射镜改变两个反射镜到半镀银玻璃板的光程差Δd，每“冒出”  或“缩进”  Δk＝50个条纹记一次读数，共测250环，用逐差法求出Δd的平均值，求出波长λ并与标准波长比较，算出百分误差。学生动手操作后，不同观点的讨论、交流，补充、修正、加深每个学生对迈克耳孙干涉仪的深刻认识。

效果评价

评价教师是否从源头呈现迈克耳孙干涉仪产生的真实事件；评价教师是否强化学生的实际应用能力；评价教师是否引导学生从历史角度探求原始创新规律；评价教师是否注重运用创新方法培养学生探索自然界规律的原始创新能力。

只有从源头到仪器进化的路线，探求原始创新的规律，培养大学生的原始创新能力，才能在不久的将来产生一批国际领先的原创性成果。 

．探求集成创新规律  培养集成创新能力

建构主义学习理论的支架式教学，来源于前苏联著名心理学家维果斯基的“最邻近发展区”理论，借用建筑行业中使用的“脚手架”作为概念框架的形象化比喻。该框架按照学生智力的“最邻近发展区”来建立，因而可通过这种“脚手架”的支撑作用，把学生的智力从一个水平提升到另一个新的水平。在大学基础课程内容中，有许多内容是当今众多技术发展的基础, 因此大学基础课程内容和当今众多技术可以组成一个有机的整体。TRIZ中的技术进化理论通过对世界专利库的分析，发现并确认了技术进化模型与进化路线具有可传递性，该理论不仅能预测技术的发展，而且还能预测产品的可能结构状态，对于产品创新设计具有指导作用。我们运用支架式教学，围绕教学内容联系当今科学技术，呈现新技术和新仪器产生的情景，运用TRIZ理论培养学生的集成创新能力。培养集成创新能力按以下五个环节进行。

搭建脚手架    

围绕学习主题，按“最邻近发展区”的要求建立概念框架，因此，以视音频资料、PPT课件、网站资源和实验仪器组成立体化教学环境，呈现TRIZ推荐的剩余五个发明原理将迈克耳孙干涉仪进化成地面引力波测量装置的真实事件。

根据TRIZ推荐的发明原理24、中介物：使用中间物体来传递或者执行一个动作。引力波作为中间物体可以执行一个动作。引力波垂直于激光的传播方向会产生与激光同频率扰动的光子流，使干涉条纹发生移动。 

发明原理17、转变到新维度：把光线投射到邻近的区域。因为引力波太弱了，把光线投射到邻近的区域，增加光程，使干涉臂的有效长度增加，才能提高测量精度，所以美国建造的引力波探测器臂长最长达到了4000米。如图3所示，根据发明原理17我们采用两种方法增加光程：（1）增加4和5之间的距离L1，增加6和7之间的距离L2；（2）将图2中4和6的透明玻璃改为图3中4和6的相位调节器，将2透明玻璃改为循环镜，使激光在4和5之间多次反射，使激光在6和7之间多次反射。 

发明原理19、周期性动作：如果作用已经是周期的，则改变其频率。当引力波来到时，作用于地面引力波测量装置光臂的激光上，改变了激光的频率，使干涉条纹发生移动。 

发明原理28、代替机械系统：用光、声、热、嗅觉系统代替机械系统。当引力波到达时，改变了激光的频率，使干涉条纹发生移动，用光电二极管探测干涉条纹移动引起的光强变化，判定引力波的存在。 

发明原理26、复制：用光学图像代替物体(或物体系统)，然后缩小或放大它。通过8光电二极管的光强变化，利用9差分器和10相关器复制光强与相位之间的关系，得到相位的变化，获得待测引力波的值。 

进入情境

学生进入新技术和新仪器产生的真实事件的情境之中，相当于学生开始攀登“脚手架”。发明原理是概念框架中的节点，概念框架是实现支架式教学的基础，它是帮助学生智力向上发展的教学“脚手架”。

独立探索

探索开始时要先由教师启发引导，帮助可以多一些；然后让学生自己去分析，探索过程中教师要适时提示，帮助学生沿概念框架逐步攀升；以后逐渐减少提示；最后要争取做到无需教师引导，学生自己能在概念框架中继续攀升。

协作学习

进行小组讨论。主要讨论迈克耳孙干涉仪与地面引力波测量装置的内在联系，在共享集体思维成果的基础上达到对讨论内容比较全面、正确的理解，即最终完成对所学知识的意义建构。

效果评价

评价学生对小组协作学习所作出的贡献；评价学生是否理解迈克耳孙干涉仪与新技术和新仪器的内在联系；评价教师是否强化学生的实际应用能力；评价教师是否引导学生探求集成创新规律；评价教师是否注重运用创新方法培养学生的集成创新能力。

运用TRIZ将迈克耳孙干涉仪进化成地面引力波测量装置，如图3所示，以探求集成创新规律，培养大学生的集成创新能力。当今技术进化不是随意的，也遵循着一定的客观规律和模式，所有技术的创造与升级都是向最强大的功能发展的。在国际科技竞争中，使各种相关技术有机融合，实现关键领域的整体突破，是提高国家综合国力的重要标志。 

探求引进消化吸收再创新规律  培养引进消化吸收再创新能力

建构主义学习理论的随机进入式教学是学生通过不同方式进入复杂内容的学习，从而获得对同一问题的多方面的探索。我们运用随机进入式教学，从地面引力波测量装置的研究方式进入科学难题——引力波探测，呈现科学家探索问题和使用方法的情景，运用TRIZ理论培养学生的引进消化吸收再创新能力。培养引进消化吸收再创新能力按以下五个环节进行。

呈现基本情境

以视音频资料、PPT课件、网站资源和实验仪器组成立体化教学环境，呈现引力波探测的真实事件。呈现地面引力波探测器进化成太空引力波探测器的真实事件，并对科学难题——探测引力波进行预测。人类研究引力波探测器已经五十年了，至今还没有直接探测到引力波。在相对论中，可以计算出引力波传到太阳系的应变约为h=3×10-21，当今地面激光干涉引力波探测器的灵敏度已达到如此的精度。在Virgo超星系集团范围所发生的短脉冲或高频引力波次数较少，是地面尚未探测到引力波的主要原因。1989年，美国和欧洲科学家规划把引力波探测实验从地面移至太空，希望探测到中低频引力波。太空引力波探测计划LISA（Laser Interferometer Space Antenna）是美国宇航局（NASA）和欧洲空间局（ESA）的合作项目。LISA于2020年以后发射3个空间探测器，组成一个边长为5×106千米的等边三角形的面积,它们之间相互进行激光干涉测距,以探测引力波。高频引力波(10 Hz-10 kHz)是地面引力波测量装置最敏感的频带。我们对地面引力波测量装置进行分析，如图3所示，发现该仪器系统探测到中低频引力波的适应性较差，根据2008TRIZ矛盾矩阵表，提高（改善）该装置对中低频引力波的“测量精度”，同时必须增大（恶化）该装置的“运动物体的面积”。“测量精度”和“运动物体的面积”的工程参数序号分别为48及5，在2008矛盾矩阵表中，第48行与5列交叉处所对应的矩阵元素的数字10、24、28、3、5、26及35为推荐的发明原理序号。根据TRIZ推荐的7个发明原理作为技术进化路线，可以将地面引力波测量装置进化成一种空间激光干涉引力波探测器。

表2     2008矛盾矩阵表 

根据TRIZ推荐发明原理10、预操作：预先对物体进行特殊安排，使其在时间上有准备，或已处于易操作的位置。需要预先对整个测量系统进行特殊安排，如果使该装置恶化的“运动物体的面积”最节约，如图4所示，应该发射由位于等边三角形顶端三个航天器组成的引力波探测编组，3个探测器组成一个边长为103-109千米的等边三角形星座，即每两个航天器之间的夹角为60°，星座的中心运行于地球轨道上，且落后地球20°，星座平面与黄道面成60°夹角,这种设计是为了尽可能减少地球引力造成的影响。在时间上有准备，当3个探测器到达绕日的引力波探测实验轨道时，处于易操作的位置，然后用激光干涉方法直接探测引力波。

发明原理24、中介物：使用中间物体来传递或者执行一个动作。将引力波作为太空引力波探测器的中介物进行探测，引力波能够执行一个动作使干涉条纹移动。宇宙中存在的引力波波源主要有两类：孤立的天体产生的引力波和背景的随机引力波。中低频带引力波信号是该装置最敏感的频带。 

发明原理28、代替机械系统：用光、声、热、嗅觉系统代替机械系统。在空间探测器的激光器发出的光束经过在空间探测器的反射镜来回反射产生干涉，当引力波到达时，可以用光电二极管测量干涉条纹的移动。在每一个航天器上都有两个完全相同的光学台，包含有激光光源、光学分束器、光检测器、光学镜组等组成干涉仪的光学器件，以及一系列进行数字信号处理的电子器件。由于每两个航天器之间的夹角为60°，每个航天器上的每一个光学台都会和相邻的航天器上的光学台发生干涉，激光走完这段航天器间隔的距离需要一段时间。在每个干涉仪的后面安置有一个作为“测试质量”的合金立方体（75%金和25%铂），其中一个表面被打磨成光滑的平面镜用来反射激光。如果有引力波扫过测试质量，其位置的微小改变会引起干涉信号，即激光相位的改变，从这种相位变化即可推导出观测到的引力波的存在。 

发明原理3、局部质量：物体的不同部分实现不同的功能。引力波作为宇宙空间的一部分物质，具有其他部分物质不同的功能。引力波具有非常好的相干性，利用其相干性可以提高引力波的可探测性。在实际设计中，这种测量精度要求测试质量所处的环境高度稳定，其位置能够不受到外界光压和太阳风粒子的影响；并且该装置的干涉测量系统也要高度灵敏，使得真正需要的引力波信号不至于淹没在激光频率噪声等干扰的海洋中。除此之外，该装置还需要解决如何应对航天器运行对激光频率造成的多普勒效应的影响，激光长距离传输的损耗问等。 

发明原理5、合并：在空间上将相似的物体连接在一起，使其完成并行的操作。在空间上，中低频引力波和该装置的激光具有相似的相干性，引力波垂直于激光的传播方向会产生与激光同频率扰动的光子流，使其完成并行的操作，即干涉条纹移动。该装置在实际运行中每个航天器之间的距离达到几百万千米以上的长度可以探测到干涉条纹移动10皮米（1皮米等于10-12米）以上的长度变化。 

发明原理26、复制：通过虚拟现实技术可以对复杂系统进行研究。由于引力波与其他物质的相互作用很弱，因此早期宇宙中产生的引力波携带了早期宇宙的信息。该装置探测到的引力波，可以通过虚拟现实技术复制引力波源的情况，如果探测到宇宙大爆炸时产生的“原始引力波”，可以通过虚拟现实技术复制宇宙大爆炸时的情况。空间引力波探测的主要目的是探测引力波动效应，这不仅是直接检验爱因斯坦广义相对论，提供引力波存在的直接证据，其更大目是认识宇宙的结构和演化过程的新奥秘。 

发明原理35、参数变化：改变系统的物理状态。太阳系天体参数的变化，可以改变该装置系统中激光的状态，所以该装置应该能够测量太阳系天体参数的变化，例如测绘太阳系引力分布。 

以上根据TRIZ推荐的7个发明原理，将地面引力波测量装置进化成一种空间激光干涉引力波探测器，并预测了该装置探测引力波的结果。如图4所示，1. 航天器1；2. 航天器2；3. 航天器3；4. 地球；5.太阳。该装置的结构和工作原理：由3个探测器组成一个边长为103-109千米的等边三角形星座，即每两个航天器之间的夹角为60°，星座的中心运行于地球轨道上，且落后地球20°，星座平面与黄道面成60°夹角，这种设计是为了尽可能减少地球引力造成的影响。在每一个航天器上都有两个完全相同的光学台，包含有激光光源、光学分束器、光检测器、光学镜组等组成干涉仪的光学器件，以及一系列进行数字信号处理的电子器件。由于每两个航天器之间的夹角为60°，每个航天器上的每一个光学台都会和相邻的航天器上的光学台发生干涉，激光走完这段航天器间隔的距离需要一段时间。在每个干涉仪的后面安置有一个作为“测试质量”的合金立方体（75%金和25%铂），其中一个表面被打磨成光滑的平面镜用来反射激光。如果有引力波扫过测试质量，其位置的微小改变会引起干涉信号，即激光相位的改变，从这种相位变化即可推导出观测到的引力波的存在。 

创设情境

从地面引力波测量装置的研究方式进入科学难题——中低频引力波探测，运用多媒体呈现引力波探测仪基本原理的情境,为随机进入教学创造条件。

独立探索

将科学家探测引力波采取了的五个对策，作为学生选学的五个主题，“随机进入学习”。在学习某一主题过程中，学生可随意观看,教师准备的资料，以便从不同侧面加深对该主题的认识与理解。

学习主题1：空间引力波探测研究——建造空间大臂长激光干涉仪。 

学习主题2：引力波源研究——在宇宙中寻方位精确已知的连续引力波源, 同时研究宇宙中可能存在的产生引力波的新机制； 

学习主题3：传感器研究——研究新型的传感器提高能量转换效率；

学习主题4：产生引力波研究——研究产生引力波的新机制,力图在实验室中产生强度可供探测的引力波；

学习主题5：场方程研究——为避免引力场方程线性近似可能导致方程解性质的改变、错误和丢失, 科学家去寻场方程的精确解去代替有争议的弱场近似解；多媒体呈现科学家探索问题和使用方法的真实事件，注意建立学生的思维模型，让学生自选学习主题，模仿空间激光干涉引力波探测器的进化过程，运用TRIZ理论矛盾矩阵表做探索。

协作学习

在上述独立探索的基础上，开展小组专题讨论，在讨论过程中教师可对学生布置作业，对讨论中的观点加以评判和进行个别辅导。

学习效果评价

评价学生对小组讨论所作出的贡献；评价教师是否让学生经历一次从跟踪到模仿再到创新的过程；评价教师是否强化学生的实际应用能力；评价教师是否引导学生探求引进消化吸收再创新的规律；评价教师是否注重运用创新方法培养学生引进消化吸收再创新能力。

以上运用TRIZ理论将地面引力波测量装置进化成空间激光干涉引力波探测器，在此过程中可以跟踪和模仿美国宇航局（NASA）和欧洲空间局（ESA）的合作项目——太空引力波探测计划LISA（Laser Interferometer Space Antenna），以探求引进消化吸收再创新的规律，培养学生引进消化吸收再创新能力。在国际科技竞争中，利用全球科技存量，形成后发优势加快发展，是提高国家综合国力的重要标志。