毕业设计论文基于TRIZ的计算机专业教学模式理论的研究

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1、学号：哈尔滨师范大学学士学位论文题 目 基于TRIZ的计算机专业教学模式理论的研究学 生 指导教师 年 级 2008级专 业 计算机教育系 别 计算机科学系学 院 哈尔滨师范大学 摘要：在研究TRIZ理论的基础上，提出并开发了一个基于TRIZ的计算机专业教学模式理论的研究。，提出了TRIZ理论的基本思想和方法体系，同时对计算机辅助创新技术CAI的概念及原理进行了阐述并分析了创新型学习理论的的方法和过程以及结合TRIZ理论的创新型学习方法在中小学计算机学习和教学中的应用研究。关键词：TRIZ；高校教学；创新型学习理论 ；计算机教学目 录第一章 绪论11.1 概述11.2 TRIZ理论简介11.2

2、.1 TRIZ理论的产生和目的11.2.2 TRIZ理论的发展和研究现状1第二章 TRIZ的原理分析52.1 TRIZ的定义和内容52.2 TRIZ解决问题过程52.3 设计过程中的冲突62.3.1 TRIZ理论核心冲突解决范式72.3.2 冲突的分类72.3.3 技术冲突的一般化82.4 技术冲突解决102.4.1 技术冲突的解决原理102.4.2 冲突解决矩阵132.4.3 物质场分析142.4.4 理想法则与理想最终解142.4.5 ARIZ算法解决发明问题的程序142.4.6 寻找问题特定解的方法探索15第三章 TRIZ与信息技术结合的产物计算机辅助创新技术CAI173.1 计算机辅助

3、教学CAI技术的主要研究内容173.2 CAI的发展历史173.3 CAI的基本概念183.4 CAI的基本原理183.5 CAI系统的基本构成193.6 CAI的特点与难点19第四章 TRIZ理论的创新性原理及在教学中的应用224.1 TRIZ与创新224.1.1 创新思维、创新方法及其过程224.1.2 TRIZ与创新活动的关系234.2 TRIZ理论在中小学计算机教学中的应用23致谢27参考文献28外文摘要29第一章 绪论1.1 概述创新是一个民族进步的灵魂,是国家兴旺发达的不竭动力,一个没有创新能力的民族,难以屹立于世界民族之林,面对世界科技飞速发展的挑战,我们必须把增强民族创新能力提

4、到关系中华民族兴衰存亡的高度来认识。我国高等教育已经把培养具有创新能力的人才作为一项迫切的任务。如何高速、高质量完成这一任务成为我国高等教育界研究的一项重要内容。创新来源于创新能力和创新思维,探索提高和培养创新能力的努力从来就没有停止过,并已经取得了许多可喜的成果,如头脑风暴法、6-3-5法、奥斯本检核表法等,但是,以上方法在实际表现中并没有预期想像的好。造成这种现象的一个重要原因就是:人们一直将创新视为一门不可预知的艺术形式。迄今为止,人们在发明创新中所使用的手段大多是手工的、无正式方法可言的和不协调的,如头脑风暴法,不容质疑,使用这样的手段可以有效地借用跨专业的知识、思维导向和集体的智慧,

5、然而,该手段实质上是一种最好的试错法,它所提供的管理模式也是一种不能确保成功的方法,它所产生的效果不可避免地要受到团队成员个性和环境的影响。是否存在一种更加有效的创新方法,即当人们进行发明创造、解决技术难题时,只需要遵循一定的科学方法和法则,就能迅速地实现新的发明创造或解决技术,这时,创新原理系统体系TRIZ理论应运而生。前苏联阿奇舒勒认为，创新是有规律的，创新是可以设计的，并提出了发明问题解决理论，即TRIZ理论（“萃智”理论，Tips for innovation problem solving俄语缩写）。在20世纪80年代，TRIZ是属于前苏联的国家秘密，在苏联的军事、工业、航空航天等领

6、域发挥了巨大的作用。苏联解体后，大批TRIZ研究者移居美国等西方国家，TRIZ的研究与实践迅速普及和发展，在全世界广泛应用。如今，TRIZ理论用于解决新产品开发的实际问题，每年创造出成千上万的发明专利，为全球各大知名企业取得了重大的经济效益和社会效益。同时也被广泛的应用到教育教学中。1.2 TRIZ理论简介1.2.1 TRIZ理论的产生和目的 TRIZ是“发明问题解决理论”的俄文简称，它是年1946前苏联G.S.Ahshuller及其同事们在分析研究了世界上近250万件高水平发明专利，综合多个学科领域原理、法则的基础上提出的创新方法理论体系。他以编制解决发明课题程序为中心课题，长期研究分析了近

7、百年大量的科技资料和专利文献，以唯物论的认识论和方法论的观点，首次提出了发明创造理论基础的技术系统发展规律，阐述了解决发明课题程序的机制、策略、过程以及物场分析的原则和模式、发明课题标准解法、解决技术矛盾的基本技法和消除矛盾的物理效应方法，这就是TRIZ的雏形。之后，经过他和他的学生的50多年的不断研究，形成了一套比较完整的TRIZ理论体系。 主要目的是研究人类进行发明创造、解决技术难题过程中所遵循的科学原理和法则，它是一种建立在技术系统进化规律基础上的问题解决系统，同时也是一个创新能力培养体系理论。我们准备将TRIZ理论与学生创新能力培养相结合，进行计算机专业教学的实践，如果取得经验，可为同

8、行在创新性教学中应用TRIZ理论提供参考。1.2.2 TRIZ理论的发展和研究现状 当前的计算机辅助创新的研究主要以TRIZ理论为基础。TRIZ理论的研究分为传统TRIZ和现代TRIZ两个阶段。90年代前传统TRIZ主要研究发明方法本身的规律；90年代后，现代TRIZ主要研究TRIZ与计算机技术和现代设计方法相结合的技术。 在20世纪80年代中期以前，该理论对其他国家保密，20世纪80年代中期，随着一批科学家移居美国等西方国家，逐渐把该理论介绍给世界开发领域，对开发领域和科研领域都产生了重要的影响。以TRIZ理论方法为原理的计算机软件也陆续开发出来，主要有Invention Machine公司

9、的TechOptimizer和Knowledgis，以及Ideation Intemational公司的InnovationWorkbench（IWB）等。目前欧美国家的计算机辅助创新技术得到越来越广泛的研究和应用。一些著名的公司如Ford、Motorola、GM、GE、IBM、HP等都已开始使用计算机辅助创新技术解决工程技术问题，使之成为国外企业、尖端技术领域解决技术难题实现创新的有效的工具。目前西方国家TRIZ的发展主要集中在两个方面：TRIZ的现代化当前TRIZ的现代化主要集中在4个TRIZ模式的研究上:III（Ideation International Inc.）模式III模式，即观

10、念化国际股份公司模式。主要研究力量来自于前苏联Kishnev的TRIZ学校的一群专家。他们认为，Altshuller发展的TRIZ的许多方法分支太多，也过于复杂，因此必须提供一些方法和过程作为分析这些问题方法的统一入口。为了识别欲研究工程系统的操作环境、资源要求、主要有用功能、有害影响和理想结果，III模式还开发了“创新环境调查问卷（ISQ，Inventive Situation Questionnaire）”以及两个新分析工具预期失效判定（Anticipatory Failure Determination，AFD）和演变指导（Directed Evolution，DE）。IMC(Inven

11、tive Machine Corp.)模式IMC模式，即有发明才能的机器公司模式。是由前苏联人工智能和TRIZ专家sourikov博士移民到美国后创建的。他们将解决矛盾的创新原则、分隔原则、效果库等知识库工具集成为一个包含有5个模块的软件“TechOptimizer”。SIT(Systematic Inventive Thinking)/USIT(Unified Structured Inventive Thinking)模式SIT/USIT模式，即统一结构的发明思想模式。由移民到以色列的TRIZ专家Filkosky在1980年左右创立，1995年福特公司Sickafus博士将SIT模式进行结

12、构化形成USIT模式。USIT模式将TRIZ设计过程分成3个阶段：问题定义、问题分析和概念产生，它将解决方法概念的产生简化为4种技术（属性纬度化、对象复数化、功能分布化和功能变化法），而不需要采用只是库或计算机软件。以日本大阪Gakuin大学的Toru Nakagawa为代表的TRIZ专家指出，TRIZ的内容是很丰富的，但是也存在不足和缺陷。将TRIZ方法在USIT的框架中分成5大类：对象复数法、属性维数法、功能分配法、组合解决法和概括解决法。RLI(Renaissance Leadership Institute)模式RLI模式由RLI公司的分支机构Leonardo da Vinci研究院的

13、一些专家开发的，它针对TRIZ的复杂性，开发了8个问题解决算法，针对物质场分析工具存在的缺陷，提出了运用三元代替物质场的三元法（Triad Analysis），并将其结合到所开发的8个发明算法中。TRIZ与其它设计方法的比较和整合研究TRIZ的另一个研究重点就是TRIZ与其它创造性问题的解决方法和工具的结合，Kowalick认为Osborn方向（如头脑风暴法、侧向思考法）和Altshuller方向的融合是创造性科学研究发展的趋势与方向。Yoshiki Nakamura指出，将TRIZ的设计步骤细分，在每个步骤中采用头脑风暴法决定下一步。田口方法、QFD、TRIZ被称为三大设计方法。它们的相互结

14、合是目前研究的重点。QFD专家，1999年度赤尾奖获得者John Terninko博士认为，三大设计方法在整个设计过程的不同方面有不同的贡献，如果将三者结合起来将是产品设计的强有力的工具。他以QFD的5个步骤为框架，融合TRIZ和田口方法构建了“顾客驱动的稳健创新模型”，而Pearse L.Johnson则以企业文化为背景，以稳健设计为主干，结合TRIZ等方法，建立了基于原则的产品开发过程宏观模型。针对三大设计方法都不同程度存在不足和缺陷，一些专家做了比较深入的研究，Matthew Hu等人提出应用TRIZ的物场分析来确定合适的输出特征，取得了较好的成果；Michael Schlueter则应

15、用TRIZ的理想状态和功能分析模型改善QFD的Kano模型，以正确确定顾客的需求功能；诺埃尔拉恩博士（Noel Lron-Rovira）在1996年建议将矛盾矩阵和40个创新原理应用于质量屋的设计。1.2.2.1 TRIZ理论在国外的发展前苏联把注重国民创新能力的开发载入到苏联宪法中，并在大学中开设“科学研究原理”、“技术创造原理”等相关创新课程，以提高学生的创新思维能力。从20世纪60年代末开始，前苏联建立了各种形式的发明创造学校，成立了全国性和地方性的发明家组织，在这些组织和学校里，可以试验解决发明课题的新技巧，并使它更加有效。现在，在80座城市里，大约有100所这样的学院及学校在工作着。

16、每年都有几千名科学工作者、工程师和大学生们，在学习TRIZ理论。其中，最著名的就是1971年在阿塞拜疆创办了世界上第一所发明创造大学。该大学的任务是训练学生具备解决各种发明创造性课题的能力，培养具有各种发明创造才能的人才。事实上，前苏联及东欧国家科学家大都采用TRIZ做发明创造的工作，不仅在大学理工教导，甚至在中、小学阶段也采用TRIZ的理论设计各科的教材教法。在创新的实践方面，前苏联在设计部门要求所配备的设计工程师和创新发明工程师的比例71，即7名工程师就需配备1名创新发明工程师，并规定，凡担任经济、科技领导职务者必须先获得发明教育文凭，从而使前苏联在20世纪70年代中期专利申请量和批准量跃

17、居世界第二，在冷战时期保持了对美国的军事力量平衡。 苏联解体后，TRIZ理论系统地传入西方，在美、欧、日、韩等世界各地得到了广泛的研究与应用。目前，TRIZ已成为最有效的创新问题求解方法和计算机辅助创新技术的核心理论。在俄罗斯，TRIZ理论方法已广泛应用于众多高科技工程（特别是军工）领域中；欧洲以瑞典皇家工科大学（KTH）为中心，集中十几家企业开始了实施利用TRIZ进行创造性设计的研究计划；日本从1996年开始不断有杂志介绍TRIZ的理论方法及应用实例；在以色列也成立了相应的研发机构；在美国也有诸多大学相继进行了TRIZ技术研究，有关TRIZ的研究咨询机构相继成立，TRIZ理论和方法在众多跨国

18、公司迅速得以推广。 如今TRIZ已在全世界广泛应用，创造出成千上万项重大发明。经过半个多世纪的发展，TRIZ理论和方法已经发展成为一套解决新产品开发实际问题的成熟的理论和方法体系，并经过实践的检验，为众多知名企业和研发机构取得了重大的经济效益和社会效益。 这样的例子举不胜举。2001年，波音公司邀请25名前苏联TRIZ专家，对波音450名工程师进行了两星期培训加讨论，取得了767空中加油机研发的关键技术突破，最终波音战胜空客公司，赢得了15亿美元空中加油机订单。2003年，“非典”肆虐时，新加坡的研究人员利用TRIZ的40条创新原理，提出了防止非典的一系列方法，许多措施为新加坡政府采用，收到了

19、很好的效果。2004年，UT斯达康通讯有限公司利用Pro/Innovator解决机顶盒天线连接问题和电磁兼容问题，缩短了新产品研发周期，节省大量研发经费。 1.2.2.2 TRIZ理论在我国的发展我国近年来也开展了以TRIZ为基础的计算机辅助创新软件的研制。河北工业大学的檀润华教授带领下的研究生主要从事TRIZ的理论介绍和发展方面的研究，在檀润华教授主编的创新设计一书以实例说明了TRIZ理论的应用。2003年1月，河北工业大学研发了计算机辅助产品创新软件InventionTool1.0。该软件包含三个模块：技术进化模块、效应模块、冲突解决原理模块，分别与TRIZ理论中技术进化、效应、冲突解决原

20、理相对应。国内也有一批企业和大学开展了TRIZ的研究、培训和应用。从事培训教育的公司主要有亿维讯集团，亿维讯集团作为世界领先的计算机辅助创新技术CAI（Computer Assisted Innovation）软件供应商，长期致力于创新理论体系和创新方法学的研究，是一家专注于CAI软件的研发、应用、理论培训和技术咨询的高新技术集团公司。开始重视和应用TRIZ理论的企业主要有中国船舶、中国兵器、中国航天等大型军工集团，以及铁道系统的科研院所及单位等。大学有清华大学、浙江大学、西南交通大学、东北林业大学、黑龙江科技学院等。中国科技部已开始启动了创新方法的研究推广计划。2007年8月13日科技部已经

21、正式批准黑龙江省和四川省为“科技部技术创新方法试点省”。四川成为全国两个创新方法试点省份，这是四川科技发展的新的机遇。重庆大学机械学院硕士研究生侯智等人在分析TRIZ理论的基础上针对TRIZ在发展和成熟的过程中存在的问题和复杂性，提出利用脑图和三角图来简化问题的解，并且提出问题解决系统的思路，还认为问题解决系统会结合TRIZ理论的优点，克服TRIZ的不足，是TRIZ理论发展的必然结果。第二章 TRIZ的原理分析2.1 TRIZ的定义和内容国际著名的TRIZ专家，Savransky博士给出了TRIZ的如下定义：TRIZ是基于知识的、面向人的发明问题解决系统化方法学。TRIZ是基于知识的方法TRI

22、Z是发明问题解决启发式方法的知识。这些知识是从全世界范围内的专利中抽象出来的，TRIZ仅采用为数不多的基于产品进化趋势的客观启发式方法。TRIZ大量采用自然科学及工程中的效应知识。TRIZ利用出现问题领域的知识。这些知识包括技术本身、相似或相反的技术或过程、环境、发展及进化。TRIZ是面向人的方法TRIZ中的启发式方法是面向设计者的，不是面向机器的。TRIZ理论本身是基于将系统分解为子系统，区分有益及有害功能的实践，这些分解取决于问题及环境，本身就有随机性。计算机起到支持作用，而不能完全代替设计者，需要为处理这些随机问题的设计者们提供方法与工具。TRIZ是系统化的方法在TRIZ中，问题的分析采

23、用了详细的模型，该模型中问题的系统化知识是重要的。解决问题的过程是一个系统化的能方便应用己有知识的过程。TRIZ是发明问题解决理论。为了取得创新解，需要解决设计中的冲突，但解决冲突的某些步骤是不知道的。未知所需要的情况往往可以被虚构的理想解代替。通常理想解可通过环境或系统本身的资源获得。通常理想解可通过已知的系统进化趋势推断。TRIZ作为一种方法学，对新设计和改进设计的设计初期为设计者提供了过程模型、工具和方法，主要包括产品进化论、分析、冲突解决原理、物质场分析、效应、ARIZ发明问题解决算法等。2.2 TRIZ解决问题过程TRIZ是专门研究创新和概念设计的理论，已建立了一系列的普适性帮助设计

24、者尽快获得满意的领域解，不仅在前苏联得到广泛的应用，在美国的很多大企业如波音、通用、克莱斯勒、摩托罗拉等的新产品的研发中得到了广泛的应用，创造了可观的经济效益。发明问题解决理论的核心是技术系统进化原理，根据TRIZ，整个问题解决的过程可以分成3个阶段：问题定义阶段，问题分析阶段和创新性解决方案产生阶段。图2.1是TRIZ解决问题的简图。TRIZ的发展模式中USIT模式发展的比较快，解决问题虽然也是三个部分但是USIT采用的五个子方法（属性维数法、对象复数法、功能分配法、组合解决法和概括解决法）使得解决问题过程简化。问题定义功能分析确定理想解（IFR）确定可用资源是否存在冲突？存在不存在冲突的类

25、型其他方法发明原理分离原理效应知识库ARIZ算法领域解问题解的一般化解的评价?解决方法报告不可行图2.1 TRIZ解决问题流程图2.3 设计过程中的冲突TRIZ在解决问题的思想方法上，是将矛盾与理想化有机结合从而形成一种强有力的发明问题解决思维方式。产品是功能的实现，任何产品都包含一个或多个功能，为了实现这些功能，产品要由具有相互关系的多个零部件组成。为了提高产品在市场中的竞争力，就需要不断对产品进行改进设计。当改变某个零件、部件的设计，即提高产品某些方面的性能时，可能会影响到与这些被改进设计零部件相关联的零部件的性能，结果可能使产品或系统另一些方面的性能受到影响。如果这些影响是负面影响，则设

26、计出现了冲突。TRIZ认为，发明问题的核心就是解决冲突，不能克服冲突的设计不是创新设计。产品的替代过程就是不断解决存在冲突的过程。在很多情况下，设计人员知道如何使自己的产品性能有所提高，但不知道使自己产品的级别有所提高。当设计过程出现冲突时，传统的设计方法是采用折衷法来解决，但折衷解往往不是创新解。设计员不掌握同时满足冲突双方的解法是造成这种结果的关键。2.3.1 TRIZ理论核心冲突解决范式冲突 社会冲突 自然冲突 工程冲突文化冲突组织冲突个性冲突自然定律冲突冲突冲突冲突冲突冲突冲突宇宙定律冲突数学冲突物理冲突技术冲突图2.2 冲突解决范式TRIZ理论的核心是发现并解决冲突，技术进化的过程就

27、是不断解决存在冲突的过程。通常冲突可以分为若干层次。如图2.2示，各类冲突解决的程度自底向上，自左向右，解决越来越困难，即技术冲突最易于解决，自然冲突最难解决。在对冲突进一步分析的基础上，TRIZ理论提出了四个基本观点：（1）较好的技术系统应是在构造和使用维护中消耗资源较少，而能完成同样功能的系统，这是TRIZ追求的理想目标。 （2）在冲突的解决中采用缩小的方法，致力于在系统不变甚至简化的基础上消除系统缺点，完成改进。 （3）发明是系统冲突的解决过程，即避免改进系统的某一部分属性时，使其他某些属性恶化。 （4物理冲突是TRIZ需要研究解决的关键问题之一。物理冲突是指对一个子系统具有相反的要求。

28、2.3.2 冲突的分类设计人员在设计过程中首先要保证或提高的是产品的某些内部特征，但是这种提高往往会导致产品的其他的内部性能的降低，产生设计冲突。解决冲突是TRIZ的工具之一，TRIZ将冲突分为三类，即技术冲突（technical Contradiction）、管理冲突（Administrative Contradiction）和物理冲突（Physical Contradiction）。技术冲突是指一个作用同时导致有用及有害的两种结果，也可指有用作用的引入或有害效应的消除导致一个或几个子系统或系统的变坏。技术冲突常常现为一个系统中两个子系统之间的冲突。技术冲突出现的几种情况：在一个子系统中引入

29、一种有用功能，导致另一个子系统产生一种有害功能，或加强了已存在的一种有害功能。消除一种有害功能导致另一个子系统有用功能变坏。有用功能的加强或有害功能的减少使另一个子系统或系统变得太复杂。例如在汽车车门的改进设计时，需要将车门“关门阻力”减小，以有利于用户关闭车门，但是当设计减小关门阻力的时候，车门的“密封阻力”的性能将会变坏，密封阻力也会减小，使得密封性能达不到用户的要求，这是用户不允许的。管理冲突是指为了避免某些现象或希望取得某些结果，需要做一些事情，但不知如何去做。如希望提高产品质量、降低原材料的成本，但不知方法。管理冲突本身具有暂时性，而无启发价值。因此，不能表现出问题的解的可能方向，不

30、属于TRIZ的研究内容。物理冲突是指为了实现某种功能，一个子系统或元件应具有一种特性，但同时出现了与该特性相反的特性。2.3.3 技术冲突的一般化G.Altshuller等一批人通过对250万件专利的详细研究提出，TRIZ理论用39个通用的工程参数描述冲突。实际应用中，首先要把组成冲突的双方内部性能用39个工程参数(表2.1)中的2个来表示。目的是把实际工程设计中的冲突转化为一般的或标准的技术冲突。这里39个工程参数中常用到运动物体（Moving objects）是指自身或借助于外力可在一定的空间内运动的物体。静止物体（Stationary objects）两个术语是指自身或借助于外力都不能使

31、其在空间内运动的物体。表2.1 通用工程参数名称及简要说明序号名称简要说明1运动物体的重量在重力场中运动物体所受到的重力。如运动物体作用于其支撑或悬挂装置上的力。2静止物体的重量在重力场中静止物体所受到的重力。如静止物体作用于其支撑或悬挂装置上的力。3运动物体的长度运动物体的任意线性尺寸，不一定是最长的，都认为是其长度。4静止物体的长度静止物体的任意线性尺寸，不一定是最长的，都认为是其长度。5运动物体的面积运动物体内部或外部所具有的表面或部分表面的面积。6静止物体的面积静止物体的面积静止物体内部或外部所具有的表面或部分表面的面积。7运动物体的体积运动物体所占有的空间体积。8静止物体的体积静止物

32、体所占有的空间体积。9速度物体的运动速度、过程或活动与时间之比。10力力是两个系统之间的相互作用。对于牛顿力学，力等于质量与加速度之积，在TRIZ中，力是试图改变物体状态的任何作用。11应力或压力单位面积上的力。12形状物体外部轮廓，或系统的外貌。13结构的稳定性系统的完整性及系统组成部分之间的关系。磨损、化学分解及拆卸都降低稳定性。续表2.1序号名称简要说明14强度强度是指物体抵抗外力作用使之变化的能力。15运动物体作用时间物体完成规定动作的时间、服务期。两次误动作之间的时间也是作用时间的一种度量。16静止物体作用时间物体完成规定动作的时间、服务期。两次误动作之间的时间也是作用时间的一种度量

33、。17温度物体或系统所处的热状态，包括其他热参数，如影响改变温度变化速度的热容量。18光照度单位面积上的光通量，系统的光照特性，如亮度，光线质量。19运动物体的能量能量是物体做功的一种度量。在经典力学中，能量等于力与距离的乘积。能量也包括电能、热能及核能等。20静止物体的能量能量是物体做功的一种度量。在经典力学中，能量等于力与距离的乘积。能量也包括电能、热能及核能等。21功率单位时间内所作的功，即利用能量的速度。22能量损失作无用功的能量。为了减少能量损失，需要不同的技术来改善能量的利用。23物质损失部分或全部、永久或临时的材料、部件或子系统等物质的损失。24信息损失部分或全部、永久或临时的数

34、据损失。25时间损失时间是指一项活动所延续的时间间隔。改进时间的损失指减少一项活动所花费的时间。26物质或事物的数量材料、部件及子系统等的数量，它们可以被部分或全部、临时或永久的被改变。27可靠性系统在规定的方法及状态下完成规定功能的能力。28测试精度系统特征的实测值与实际值之间的误差。减少误差将提高测试精度。29制造精度系统或物体的实际性能与所需性能之间的误差。30物体外部有害因素作用的敏感性物体对受外部或环境中的有害因素作用的敏感程度。31物体产生的有害因素有害因素将降低物体或系统的效率，或完成功能的质量。这些有害因素是由物体或系统操作的一部分而产生的。32可制造性物体或系统制造过程中简单

35、、方便的程度。33可操作性要完成的操作应需要较少的操作者、较少的步骤以及使用尽可能简单的工具。一个操作的产出要尽可能多。34可维修性对于系统可能出现失误所进行的维修要时间短、方便和简单。35适应性及多用性物体或系统响应外部变化的能力，或应用于不同条件下的能力。36装置的复杂性系统中元件数目及多样性，如果用户也是系统中的元素将增加系统的复杂性。掌握系统的难易程度是其复杂性的一种度量。37监控与测试的困难程度如果一个系统复杂、成本高、需要较长的时间建造及使用，或部件与部件之间关系复杂，都使得系统的监控与测试困难。测试精度高，增加了测试的成本也是测试困难的一种标志。续表2.1序号名称简要说明38自动

36、化程度是指系统或物体在无人操作的情况下完成任务的能力。自动化程度的最低级别是完全人工操作。最高级别是机器能自动感知所需的操作、自动编程和对操作自动监控。中等级别的需要人工编程、人工观察正在进行的操作、改变正在进行的操作及重新编程。39生产率是指单位时间内所完成的功能或操作数。2.4 技术冲突解决2.4.1 技术冲突的解决原理通过详细分析研究全世界的专利，TRIZ研究人员发现，在以往不同领域的发明中所用到的规则并不多，这些规则反复被采用。每条规则并不限定于仅能用于某一领域，他们都融合了物理的、化学的和各工程领域的原理，适用于不同领域的发明创造。在此基础上，G.Altshuller等提出了40条发

37、明原理。实践证明这些原理对于指导设计人员的发明创造具有重要的作用，被成为发明家的理想的“发明工厂”对于利用冲突矩阵解决技术冲突提供了更好的方法。表2.2是40条发明原理的名称及简要解释。表2.2发明原理序号名称简要解释1分割将一个物体分成相互独立的部分；使物体分成容易组装及拆卸的部分；增加物体相互独立部分的程度。2分离一个物体中的“干扰”部分分离出去；将物体中的关键部分挑选或分离出来。3局部质量将物体或环境的均匀结构变成不均匀结构；使组成物体的不同部分完成不同的功能；使组成物体的每一部分都最大限度地发挥作用。4不对称将物体的形状由对称变为不对称；如果物体是不对称的，增加其不对称的程度。5合并在

38、空间上将相似的物体连接在一起，使在时间上合并相似或相连的操作。6多用性使一个物体能完成多项功能，可以减少原设计中完成这些功能多个物体的数量。7套装将一个物体放在第二个物体中，将第二个物体放在第三个物体中，可进行下去；使一个物体穿过另一物体的空腔。如收音机伸缩式天线、伸缩式钓鱼竿。8质量补偿用另一个能产生提升力的物体补偿第一个物体的质量；通过与环境相互作用产生空气动力或液体动力的方法补偿第一个物体的质量。9预加反作用预先施加反作用；如果一物体处于或将处于受拉伸状态，预先增加压力。续表2.2序号名称简要解释10预操作在操作开始前，使物体局部或全部产生所需的变化；预先对物体进行特殊安排，使其在时间上

39、有准备，或已处于易操作的位置。11预补偿采用预先准备好的应急措施补偿物体相对较低的可靠性。12等势性改变工作条件，使物体不需要被升高或降低。13反向将一个问题说明中所规定的操作改为相反的操作；使物体中的运动部分静止，静止部分运动；使一个物体的位置颠倒。14曲面化将直线或平面部分用曲线或曲面代替，立方形用球形代替；采用辊、球和螺旋；。用旋转运动代替直线运动，采用离心力。15动态化使一个物体或其环境在操作的每一个阶段自动调整，以达到优化性能；划分一个物体成具有相互关系的元件，元件之间可以改变相对位置；如果一个物体是静止的，使之变为运动的或可改变的。16未达到或超过的作用如果100%达到所希望的效果

40、是困难的，稍微未达到或稍微超过预期的效果将大大简化问题。17维数变化将一维空间中运动或静止的物体变成在二维空间中运动或静止的物体，在二维空间中的物体变成三维空间中的物体；将物体用多层排列代替单层排列；使物体倾斜或改变其方向；使用给定表面的反面。18振动使物体处于振动状态；。如果振动存在，增加其频率，甚至可以增加到超声；使用共振频率；使用电振动代替机械振动；使超声振动与电磁场耦合。19周期性作用用周期性运动或脉动代替连续运动；对周期性的运动改变其运动频率；在两个元脉动的运动之间增加脉动。20有效作用的连续性不停顿地工作，物体的所有部件都应满负荷地工作；消除运动过程中的中间间歇；用旋转运动代替往复

41、运动。21紧急行动以最快的速度完成有害的操作。22变有害为有益利用有害因素，特别是对环境有害的因素，获得有益的结果；通过与另一种有害因素结合消除一种有害因素；加大一种有害因素的程度使其不再有害。23反馈引入反馈以改善过程或动作；如果反馈已经存在，改变反馈控制信号的大小或灵敏度。24中介物使用中介物传递某一物体或某一种中间过程；将一容易移动的物体与另一物体暂时接合。续表2.2序号名称简要解释25自服务使一物体通过附加功能产生自己服务于自己的功能；利用废弃的材料、能量与物质。26复制用简单的、低廉的复制品代替复杂的、昂贵的、易碎的或不易操作的物体；用光学拷贝或图像代替物体本身，可以放大或缩小图像；

42、如果已使用了可见光拷贝，用红外线或紫外线代替。27低成本、不耐用的物体代替昂贵、耐用的物体用一些低成本物体代替昂贵物体，用一些不耐用物体代替耐用物体，有关特性作折中处理。28机械系统的替代用视觉、听觉、嗅觉系统代替部分机械系统；用电场、磁场及电磁场完成与物体的相互作用；将固定场变为移动场，将静态场变为动态场，将随机场变为确定场；将铁磁粒子用于场的作用之中。29气动与液压结构物体的固体零部件可用气动或液压零部件代替，将气体或液体用于膨胀或减振。30柔性壳体或薄膜用柔性壳体或薄膜代替传统结构；使用柔性壳体或薄膜将物体与环境隔离。31多孔材料使物体多孔或通过插入、涂层等增加多孔元素；如果物体已是多孔

43、的，用这些孔引入有用的物质或功能。32改变颜色改变物体或环境的颜色；改变一个物体的透明度，或改变某一过程的可视性；采用有颜色的添加物，使不易被观察到的物体或过程容易被察到；如果已增加了颜色添加物，则采用发光的轨迹。33同质性采用相同或相似的物质制造与某物体相互作用的物体。34抛弃与修复当一个物体完成其功能或变无用时，抛弃或修改该物体中的一个元件；立即修复一个物体中所损耗的部分。35参数变化改变物体的物理状态，即使物体在气态、液态、固态之间变化；改变物体的浓度或粘度；改变物体的柔性；改变温度。36状态变化在物质状态变化过程中实现某种效应。37热膨胀利用材料的热膨胀或热收缩性质；使用具有不同热膨胀

44、系数的材料。38加速强氧化使氧化从一个级别转变到另一个级别：将通常的空气与浓缩空气相互取代；将浓缩空气与氧气相取代；将空气或氧气中物体用电离放射线处理；39惰性环境用惰性环境代替通常环境；让一个过程在真空中发生。40复合材料将材质单一的材料改为复合材料。2.4.2 冲突解决矩阵通过多年的研究、分析和比较，G.Altshuller提出了40行40列的冲突矩阵，解决了如何在设计中选用发明原理的问题。该矩阵将描述技术冲突的39个工程参数与40条发明原理建立了对应关系。冲突矩阵第1行或第1列为按顺序排列的39描述冲突的工程参数序号。除第1行与第1列外，其余39行与39列形成一个矩阵，矩阵元素中或空、或

45、有几个数字，这些数字表示40条发明原理中的推荐采用的发明原理序号。表2.3为冲突解决矩阵简图。矩阵中的行所描述的工程参数为冲突中恶化的一方，列所代表的工程参数是改善的一方。应用该冲突矩阵的过程为：首先将冲突方中变坏的特征参数序号从第l行中选取对应的序号，再由冲突中希望变好的特征参数序号从第1列中选取对应的序号，两序号在对应行与列的交叉处确定一特定矩阵元素，该元素所给出的数字即为推荐采用的解决原理序号。表2.3冲突解决矩阵简图No.lNo.2No.3No.4No.5No.39No.l15,8,29,3429,17,38,3435,3,24,37No.210,1,29,351,28,15,35No

46、.38,15,29,3415,17,414,4,28,29No.435,28,40,2930,14,7,26No.52,17,29,414,15,16,410,26,34,2No.3935,26,24,37 28,27,15,318,4,28,3830,7,14,2610,26,34,3 图2.3表明了问题求解的全过程，当针对具体问题确认了一个技术冲突后，要用该问题所处技术领域中的特定术语描述该冲突。之后，要将冲突的描述翻译成一般术语，由这些一般术语选择标准工程参数。由标准工程参数在冲突解决矩阵中选择可用解决原理。一旦某一或某几个原理被选定后，必须根据特定的问题应用该原理以产生一个特定的解。对

47、于复杂的问题一条原理是不够的，原理的作用是使原系统向着改进的方向发展。在改进的过程中，对问题的深入思考、创造性和经验都是必须的。目前，一些作者认为冲突及解决技术冲突中的39个标准参数及40条解决原理还不完善。近年来TRIZ应用实例表明，有些设计中的明显冲突用39个参数不能描述，因此，也就不能选择冲突解决原理。是不是增加冲突标准的参数以及增加以后的矩阵将会如何变化，40条原理是不是已经覆盖了所有的设计问题，是有待进一步要研究的问题。应用40条原理一般的解一般的问题具体应用39个参数将问题一般化特定的解特定的问题图2.3技术冲突解决原理2.4.3 物质场分析 物质场分析方法是TRIZ理论另一个重要

48、的发明创造问题的分析工具，用来分析和建立技术系统的相关模型。该理论认为所有功能都可以看作是由两个物质和一个场组成的，物质s1、s2可以表示任何复杂程度的对象，场F用于表示物体s1与s2之间相互作用所必需的能量。首先，利用所给的符号的系统将这3种元素以适当的方式组合，建立相应的模型。如果所建立的模型功能为不完整功能、非有效完整功能、有害完整功能时，那么利用物质场分析来改进系统。然后，根据所建立的功能模型，用Altshuller所提出了标准解选择适当一般解。最后，将一般解具体化求出特殊解。这些标准解法共有76个，即76个标准解。这些标准解为一般解求解过程提供重要的途径。为了方便一般解选取，常将76

49、个标准解共分为5类： (1)不改变或少量改变以改进系统(13个解)； (2)改变系统(23个解)； (3)系统传递(6个解)； (4)检测与测量(17个解)；(5)简化与改进策略(17个解)。运用这76种标准解，就是朝着改善技术系统理想化方向的努力。任何技术系统都可以不断地朝向理想化的境界迈进，也就是说系统可以不断地变得更可靠、更简单、更有效。发明的艺术就在于如何推开迈向理想化途径中的障碍物，从根本上改善技术系统。2.4.4 理想法则与理想最终解 理想法则是一种非常科学的分析方法，为设计者指明解决发明问题的设计目标，确保设计方向的正确性。在整个设计过程阶段，理想法则会最大限度地利用现有资源，将

50、系统的功能理想化，定义出系统所产生的理想功能。这个具有理想功能的系统被称为理想最终解（Ideal Final Result）。技术系统是功能的实现，同一功能存在多种技术实现，任何系统在完成人们所需的功能时，都会有一定的负面作用。为了描述系统的理想水平，所以采用公式(2-5)： Ideality= U1 H1 (2-5) 其中，Ideality是指理想水平；U1是指系统的有用功能，包括能使系统发挥作用的所有有价值的功能；H1是指系统的有害功能，它包括不希望的费用、能量消耗、污染和危险等全部对系统有害的功能。该公式则表示：技术系统的理想化水平等于有用功能之和与有害功能之和的比值。那么Idealit

51、y理想化水平越高，系统的复杂程度越高，创新的级别也就越高。2.4.5 ARIZ算法解决发明问题的程序 TRIZ认为，一个创新问题解决的困难程度取决于对该问题的描述和问题的标准化程度，描述得越清楚，问题的标准化程度越高，问题就越容易解决。ARIZ中，创新问题求解的过程是对问题不断地描述，不断地标准化的过程。在这一过程中，初始问题最根本的矛盾被清晰地显现出来。如果方案库里已有的数据能够用于该问题则是有标准解；如果已有的数据不能解决该问题则无标准解，需等待科学技术的进一步发展。该过程是通过ARIZ算法实现的。 ARIZ(Aigorithm for InventiveProblem Solving)称

52、为发明问题解决算法，是TRIZ理论的核心分析工具。它为解决复杂的技术难题提出具体、有序的步骤。当复杂问题没有明显的矛盾冲突，不能直接依靠矛盾矩阵或物质场分析解决，利用ARIZ算法对其分步进行分析并构建矛盾。通过这种有效的思维组织程序，确定问题的深层次物理冲突的属性，从而寻求问题解决方案。该算法主要包含6个模块:(1)情境分析，构建问题模型; (2)基于物场分析法的问题模型分析; (3)定义最终理想解与物理矛盾; (4)物理矛盾解决; (5)如果矛盾不能解决，调整或者重新构建初始问题模型; (6)解决方案分析与评价。ARIZ算法流程如图2.4所示。应用ARIZ取得成功的关键是，在理解问题的本质前

53、，要不断地对问题进行细化，直至确定了问题所包含的物理矛盾。初始问题对立领域及资源分析系统矛盾定义最小问题选定物理矛盾的去除方法物理矛盾定义理想解定义物理学、化学、几何学等工程学原理知识库物理矛盾的定义问题解图2.4 ARIZ算法流程2.4.6 寻找问题特定解的方法探索G.Altshuller的冲突理论似乎是产品创新的灵丹妙药，实际在应用该理论之前的前处理与应用之后的后处理仍然是关键的问题。目前，在利用标准工程参数解决设计中出现的一对技术冲突时，TRIZ原理推荐14个发明原理，假设设计中出现n对技术冲突，TRIZ推荐的发明原理数目最多是4n个。每一个原理都可能对问题的决是至关重要的，但是使用者很

54、难确定那些原理确实能够解决特定问题。在众多推荐原理中找到一个或多个问题特定解，或者将推荐原理按照对有助于解决特定问题的程度排序，将给TRIZ的应用提供非常有利的手段。按照传统TRIZ，对于每一对冲突TRIZ推荐的原理是14个。如果将推荐的原理个数标准化，都是四个，那么，不足四个的用“0”填补。对于不足以构成冲突没有给出推荐原理的，认为推荐原理是四个“0”。若TRIZ解决设计问题的冲突为n对，则推荐原理的个数为4n个。在编程中可以设置推荐原理计数器，每一条原理出现一次记录一次，将所有TRIZ的推荐原理记录。设xi（i =1,2,3,m，m40）表示第i条推荐原理出现的次数，yi为TRIZ荐发明原

55、理中的第i条原理的次数权重。为了便于计算，设yi=10,yi可以按照式（2-1）计算：yi=10xi/(4n) (2-1)利用模糊综合评判法TRIZ的推荐原理做出综合的决策。设因素集为U=u1,u2, u1表示设计者根据技术的要求所加的权重，u2表示TRIZ推荐的每条原理出现次数的权重。判断集为V =v1,v2,vm,vi为表示TRIZ推荐的第i条发明原理。单因素判断，即分别对单个因素u1和u2中的评判, 得到V上的模糊集(j1,rj2,rjm ,j=1,2)它是从U到V的一个模糊映射： f:UF(V) uj(rj1,rj2,rjm) (2-2)由模糊映射定理可知，模糊映射f可以确定模糊关系R

56、uji, 即评判矩阵R。R是由所有对单因素u1,u2的评判的模糊集组成的： r11 r12 r1m R= R21 r22 r2m (2-3) 由于u1,u2两个单因素的地位未必相等，所以对这两个因素加权。用U上的模糊集A=(a1,a2) 表示对两个因素的权数分配，a=10。由此可得，TRIZ推荐的发明原理有助于解决问题的评价模糊集 B=A R=(b1,b2,bm)(i=1,2,3,m,m40) (2-4) 在式（2-4）中,bi表示TRIZ推荐原理有助于解决冲突的评价值，去掉“0”原理所对应的评价值，剩余数值大者所对应的发明原理将是设计者优先要考虑选用的原理。第三章 TRIZ与信息技术结合的产

57、物计算机辅助创新技术CAI TRIZ仍在不断地发展中，随着信急技术的不断发展，一门以发明创造问题解决理论(TRIZ)为基础，结合现代设计方法学、语义处理技术、专利分析技术、多领域科学知识以及计算机软件技术等综合而成的新兴技术计算机辅助创新技术CAI(Computer Assisted Instruction)已经出现，并迅速在国内外开始推广应用。3.1 计算机辅助教学CAI技术的主要研究内容1.计算机辅助教学模式：目前CAI系统通常采用的教学模式有以下6种：(1)练习：包括编排题目、比较答案及登记分数，通常作为正常教学的补充；(2)个别指导：包括教授规则、评估学生的理解和提供应用的环境等；(3

58、)对话与咨询：又称为“苏格拉底”教学模式，允许学生与计算机之间进行比较自由的“谈话”； (4)游戏：创造一个带竞争性的学习环境，游戏的内容和过程与教学目标相联系；(5)模拟：用计算机模仿真实现象(自然的或人为的现象)，并加以控制，如模拟化学或物理实验和飞机、车船驾驶训练等；(6)问题求解：让学生以多种途径运用规则和概念，得到问题的解，既要求学生不仅知道问题的正确答案，而且掌握其解答过程。在具体的教学过程中，根据教学内容表达的需要和教学目的的要求，需要在同一课程不同的内容或不同的教学环节中交叉使用这些教学式。2.计算机辅助教学课件的制作：CAI系统工程核心是课件。由课件设计者根据教学要求用CAI

59、写作工具或计算机语言编制而成。3.计算机辅助教学写作工具与环境：CAI写作工具是提供给课程教师编制课件的写作环境。良好的写作系统和开发工具是提高CAI课件开发效率的关键。3.2 CAI的发展历史计算机辅助教学，简称CAI，是英文COMPUTER ASSISTED INSTRUCTION的缩写。美国是进行计算机辅助教学研究和应用最早的国家，所以CAI的历史基本上是以美国CAI发展历史为主线。近四十年来，CAI的发展大体上经历了五个阶段。（1）1958-1965年这是CAI发展的初期阶段。在这个时期，主要是以大学和计算机公司为中心开展的软件硬件开发研究工作，并出现了一些有代表性的系统。如：PLATO系统。（2）1965-1970年这一时期的特点是研究规模扩大，并且将以前的研究成果投入应用。斯坦福大学在1966年研制了IBM1500教学系统。（3）1970-1975年这一时期，CAI的应用范围不断扩大，并进一步趋向实用