基于TRIZ与EE-FBS的大学物理创新性实验方法探索
时间：2023-04-25 11:40:05 来源：千叶帆 本文已影响人
黄 华
(内江师范学院 物理与电子信息工程学院， 四川 内江 641100)
普通高校大学物理实验课，目前存在实验教学模式固化、实验内容与实际应用结合不紧密、缺乏创新理论指导等问题[1]，学生的创新能力普遍不足.对于创新性物理实验，具体表现为：学生自主选题困难，不能自主制定实验方案，对于实验系统的构建提不出有创意的设想和方案，分析问题、解决问题的能力弱，等等.
“解决有关发明问题的理论”的俄文转拉丁文的缩写即TRIZ，是苏联科学家阿奇舒勒及其团队从1946年开始，在研究世界各国大量专利的基础上，提出的具有完整体系的技术创新方法论.目前，已有学者将TRIZ创新方法引入大学物理实验中.如文献[1]将TRIZ创新理论中的理论方法、工具和模式融入大学物理实验教学的教学模式、教学内容、教学过程和教学评价中；
文献[2]初步形成了TRIZ-CDIO实验教学模式；
文献[3]在大学物理实验课程教学中融入TRIZ理论中的40条创新原理；
文献[4]通过TRIZ这一系统化方法学，将它解决技术难题过程中所遵循的科学原理和法则用于实验教学，优化了实验教学内容的设置，指导实验教学的开展和实施，对考核办法也进行了改变，并利用该理论在促进学生创新思维的培养方面也进行了研究和探索.
然而，以上文献在如何用创新方法论指导学生进行大学物理创新性实验中，在自主选择实验课题、自主构建实验方案、实验、误差分析和实验方案的进一步优化等方面还是空白.制定实验方案的一个主要内容是物理模型的建立和实验技术系统的构建.笔者经研究发现，物理实验的设备、仪器等组成的实验系统实际上也是一个工程技术系统，构建实验技术系统实际就是求解其原理结构解，因此，仅靠TRIZ还不足以解决问题,需要用到“扩展效应驱动的功能-行为-结构模型”(extended-effect driven function-behavior-structure, EE-FBS)和基于该模型的功能设计过程[5](以下统称为EE-FBS功能设计方法)，以及基于物理定律的功能链推理方法[6]；
同时为降低学生在效应链推理过程中的主观性，可利用基于LT(长度、时间)表的效应推理方法[7]指导效应链推理的过程，采用定量计算方法对效应链推理过程进行优化，确定最优效应链；
还有一种结合TRIZ和FBS的创新设计方法[8],可以使得两者更好地协同作用.笔者在前人研究基础上，设想通过引入TRIZ创新方法理论结合EE-FBS功能设计方法作为理论基础，对一个现有的实验案例，按照创新性物理实验的做法，在各实验环节中进行运用，将拟构建的实验技术系统按照工程技术系统求原理结构解的方式进行构建，从而总结出一种基于TRIZ与EE-FBS的大学物理创新性实验方法，有效地指导学生进行实验，提升学生分析问题和解决问题的能力，培养其创新思维和创新能力.
TRIZ理论成功地揭示了创造发明的内在规律和原理，使得发明创造不再是随机的行为.TRIZ经过后来许多专家学者的努力，已从经典的TRIZ理论发展到了现代的TRIZ理论.TRIZ理论以辩证法、系统论和认识论为哲学指导，以自然科学、系统科学和思维科学的研究成果为根基和支柱，以技术系统进化法则为理论基础，包括了技术系统和技术过程、(技术系统进化过程中产生的)矛盾、(解决矛盾所用的)资源、(技术系统的进化方向)理想化等基本概念.TRIZ 理论提供了分析工程问题所需的方法，包括矛盾分析、功能分析、资源分析和物场分析等，同时还提供了相应的问题求解工具，包括技术矛盾创新原理、物理矛盾分离原理、科学原理知识库和发明问题标准解法等.TRIZ理论针对复杂问题的求解提供了发明问题解决算法(ARIZ)，同时TRIZ理论还包括了一些创新思维的方法，例如9荧幕法、小人法、金鱼法等[9].目前世界许多大企业都进行了实践应用，取得了良好的效果；
世界许多大学也开设了TRIZ课程，在培养学生的创新能力和创新思维方面取得了很好的效果.
“功能(以一定的设计任务为目标的，是对系统的输入与输出之间关系的一种描述，功能也就是设计的目的即‘做什么’)-行为(系统输入/输出状态的描述，表达设计的方法即‘如何去做’)-结构(构成技术系统的元件以及元件之间的相互关系)”(function-behavior-structure，FBS)，最先由悉尼大学的 Gero 教授提出，用于描述认知设计过程的理想模型.该方法可以将一个复杂系统进行模块化、层次化剖析，将其分解为相互联系而功能独立的多个模块，并在此基础上层层递进，对各功能模块进行发散，得到众多解，最终通过评估求得最优解[10].后来有学者扩展 TRIZ 中现有单输入/输出流两极效应(指科学效应，是在科学理论指导下，实施科学现象的技术结果)模型形成多输入/输出流多极效应模型，提出构建效应链的四种效应模式(串联、并联、环形、控制)和效应链推理方法，进而研究基于效应的功能、行为和结构之间的映射关系，建立了 EE-FBS和基于该模型的功能设计过程.该过程包括：
(1)抽象：由设计任务抽象出产品总功能；
(2)系统映射：确定系统的输入/输出；
(3)推理：确定子行为及其之间关系，建立行为模型；
(4)分解：将总功能分解为分功能和功能元，建立功能结构；
(5)功能元映射：确定功能元对应的子结构；
(6)组合：将子结构组合形成原理结构；
(7)检验：依据行为模型分别对功能结构以及原理结构的可靠性和冗余进行检验和修正，验证原理结构是否满足产品总功能.如不满足需求，则回退到(1)-(6)中某一阶段，重新进行推理和求解[5].
本节主要论述TRIZ结合EE-FBS功能设计方法，在大学物理创新性实验中的以下主要环节的运用：学生自主选择实验课题、构建物理模型和实验技术系统从而制定实验方案、实验、误差分析、实验方案进一步优化.
2.1 运用TRIZ中的科学效应库指导学生自主选择实验课题
针对学生自主选题困难，笔者探索并提出了运用TRIZ理论科学效应库中“功能与科学效应及现象对应表”选择确定创新性实验课题的方法.TRIZ理论创始人阿奇舒勒带领团队经过研究全球大量高水平专利，把高难度的问题和所要实现的功能进行了分析、总结、归纳，发现并总结出从事发明问题时经常遇到的、需要实现的30种功能及所需用到的100个科学效应和现象，结果如表1所示[11].
表1 TRIZ理论功能与科学效应和现象的对应关系
由表1可以看出，实现技术系统的某个功能，往往有多个科学效应和现象与之对应，学生可以根据自身水平和相应的学科，利用相关的科学效应直接进行实验课题的选择确定.例如，利用表1可直接选择确定“热膨胀测量温度实验”“汤姆逊效应测量温度实验”“热辐射测量温度实验”等，不同的实验课题就这样选择确定下来.另外，由于TRIZ 科学效应库中专利是效应的主要信息源，而里面的物理效应确定了专利中产品的功能与实现该功能的物理科学原理之间的相关性，这就将物理科学原理与其工程应用有机结合起来.因此，可以利用科学效应库提供的专利案例，通过专利分析，进一步拓展选择确定创新性实验课题，使学生能真正结合生产生活的实际选择确定实验课题.如学生在学习力学的胡克定律以及热学的热膨胀等知识点后，即可利用科学效应库里的胡克效应反向查找到相对应的功能是“产生力”，然后选择合适的专利作为创新活动的载体，在TRIZ理论指导下进行再发明，并从此过程遇到的问题中提炼出实验课题.又如传统肾结石提取器这个专利案例，无法破坏大的结石，要想实现对大的结石的破碎，必须在小空间内产生较大的力(见图1[12]).
图1 传统肾结石提取器工作原理
学生可对此专利进行再发明，从遇到的问题中可以提炼出以下实验课题：在实验室模拟人体内温度；
在较小空间测量形状记忆合金形变产生的力；
测量形状记忆合金相变点温度；
热交换效应、记忆合金形状效应、胡克效应的协同作用等.由此可见，TRIZ的科学效应库在学生创新性实验课题的选择方面，起到了方向指引和理论联系实际的作用，使得教师能够有计划、有目的地有效地指导学生进行创新性实验课题的选择.
2.2 运用EE-FBS功能设计方法指导学生自主制定实验方案
实验方案包括物理模型的构建与选择、实验技术系统的构建、实验方法的选择、测量条件与最佳参数的确定、实验程序的制定等.而制定实验方案主要内容之一就是构建物理模型并按照所选的物理模型确定实验方法，画出实验原理图，这从技术系统功能设计的角度看，其实质就是求解实验技术系统的原理结构解，从而构建一个实验技术系统.本节重点论述如何运用EE-FBS功能设计方法指导学生自主建立物理模型、构建实验技术系统.
2.2.1 运用EE-FBS功能设计方法指导学生进行物理模型的构建与选择
构建物理模型就是根据实验要求和实验对象的物理性质,研究与实验对象有关的物理过程的原理及过程中各物理量之间的关系、推证数学表达式[13].可以借助EE-FBS功能设计过程的步骤(1)-(3)来构建物理模型.如以构建“测量螺线管轴线磁场的分布实验”的物理模型为例.
(1)抽象.根据实验任务，确定实验技术系统的总功能：测量磁场.
(2)系统映射.确定实验技术系统的输入/输出：输入物理量为励磁电流IM，输出物理量为螺线管轴线上磁感应强度B.实验技术系统用黑箱模型(未知的技术系统总功能输入、输出的转换关系)表达如图2所示.
图2 测量螺线管轴线上磁场分布实验技术系统黑箱模型
(3)推理.确定子行为及其之间关系，建立行为模型.将这一步骤运用于物理实验技术系统，方法是利用效应模式和基于物理定律的功能链推理方法，可推理出技术系统输入/输出流之间可能的因果转换关系，从而可以确定出子行为及其之间关系，建立行为模型；
同时，经过此过程的推理，最终将得到反映与实验对象有关的物理过程的各物理量推证的数学表达式，即该物理过程的物理模型.
基于物理定律的功能链推理方法：第一步，根据功能提取预期的输入流、输出流中的物理量，根据预期的输入、输出转换，将输入流中物理量确定为初始特征物理量；
第二步，根据输入流的物理量进行物理定律的搜索，如果生成的新的特征物理量与预期的输出流中的物理量相同，也就确定了实现预期输入、输出转换所支持的物理定律，然后停止搜索物理定律；
第三步，对于不满足条件的节点，以生成该节点的物理定律的结果物理量作为新的初始特征物理量，继续搜索所有物理定律的数据库，找出包含该初始特征物理量的物理定律，生成子节点.重复此步骤直到所有叶子节点满足终止条件[6].
本案例中，运用以上方法，首先确定初始特征变量为励磁电流IM，最终测定的磁感应强度B为系统预期输出物理量；
其次搜索相关物理定律.考虑到在螺线管中由电流产生磁场，因此容易联想到由毕-萨定律推导出的螺线管轴线上磁感应强度公式：
(1)
式中：μ0为真空的磁导率,n为螺线管单位长度匝数,IM为励磁电流,β1、β2为螺线管轴线上任一点分别到两端的张角.而此时的物理量B并不是预期的输出物理量B(已测出的磁感应强度).以此时的B作为新的初始特征物理量，继续搜索相关物理定律.由于B不容易直接测量，因此可以考虑用直接测量的物理量如电流、电压来表示B，因此，在搜索相关物理定律时需要考虑包含B与电压、电流关系的物理效应或定律，那么可以选择反映霍尔效应的物理规律：
VH=KHISB，
(2)
式中：IS为霍尔电流;输出物理量VH为霍尔电压，其仍然不是预期物理量B;KH为霍尔元件的灵敏度，是未知数，需事先求出.由式(2)可得：
(3)
这时需要以另外的公式求出B.考虑到一般仪器设备厂商提供了螺线管的参数，因此容易联想到由毕-萨定律推导出公式：
(4)
式中：B0为螺线管轴线中心点磁感应强度的理论值,N为螺线管总匝数,L为螺线管长度,D为螺线管直径.将求出的B0值代入式(3)求出KH，则有公式：
(5)
从初始特征变量推理到最终的系统的输出变量往往有多条路径，形成了多条链.链是从初始绑定变量开始的.该变量可以根据算法识别合适的关系，而这些关系又代表了设计的技术系统的基础.如果一个或多个关系满足算法中陈述的条件，就可以完成链接.在相反的情况下，链接会继续.这条链代表一个技术系统的整个概念设计.如果它属于一个技术系统的一部分概念设计，则称为概念设计链或部分设计链.可以通过一个简单的原理图表示，如图3[14]所示.
图3 链接原理
图3中初始根节点表示初始绑定变量，而其他节点表示其他适当的绑定变量，节点之间的连接代表了物理定律，图中生成的每一条路径都表示一条概念设计链，节点的数目表示节点生成的顺序.
本例中，就可以从最初的输入物理量IM推理出最终的系统输出物理量B，同时形成两条物理定律链，得到两个用数学表达式描述的物理模型，具体如图4所示.
图4 测量螺线管轴线磁场的物理定律链
图4中Kφ为磁通变化量,dm为冲击电流计测出的最大偏转距离.假设通电螺线管中的励磁电流IM为初始特征物理量，B为磁感应强度.
从1-2-4-6路径推理，最终得到的物理模型是：
采用的是霍尔效应法测磁场；
从1-3-5-7-9路径推理(略)，最终得到的物理模型是：
式中：Kφ为磁通常量；
N2、S分别为螺线管次级线圈的匝数和面积，采用的是冲击电流法测磁场.上述两个物理模型分别反映了两个物理过程中与实验对象B相关的各物理量的关系.因此，运用EE-FBS功能设计步骤(1)-(3)就能构建多个物理模型.在此基础上，学生可根据现有实验条件，按照任务书的要求选择确定最优的物理模型.
本案例选择霍尔效应法测磁场，因此，将上述1-2-4-6路径推理涉及的效应或定律按照效应链模式链接成效应链，如图5所示.
图5 霍尔效应法测螺线管实验技术系统效应链
2.2.2 运用EE-FBS功能设计方法指导学生自主构建实验技术系统
对于自主构建实验技术系统，学生往往不知道应该配置哪些仪器设备，也不知道各仪器设备之间该如何连接，因此，实验技术系统对于学生来讲就是一个技术黑箱，如图6所示.
图6 实验技术系统黑箱
我们的目标仍然是求这个实验技术系统的原理结构解，从而构建实验技术系统.即根据总功能，在前面2.2.1中已经构建好的物理模型基础上，按照EE-FBS功能设计步骤(4)-(6)求解实验技术系统的原理结构解.下面继续以霍尔效应法测量螺线管轴线上磁场分布实验为例来说明.
图7 测量螺线管轴线磁场分布实验技术系统功能结构
步骤(5)功能元映射，确定功能结构中功能元对应的子结构：产生磁场对应的子结构为通电螺线管，产生霍尔电压对应的子结构为霍尔元件，产生励磁电流对应的子结构为恒流电源，供给霍尔元件工作电流对应的子结构为恒流电源，测量霍尔电压对应的子结构为电压表，测量霍尔电流IS对应的子结构为电流表，移动霍尔片的子结构为可移动装置.
步骤(6)组合：将子结构组合成实验技术系统的原理结构，如图8所示.
图8 实验技术系统原理结构
图8中，HI1为供螺线管的励磁电流恒流电源；
HI2为供给霍尔片工作电流的恒流电源；
DI为数字电流表，测量励磁电流；
DV为数字电压表，用于测量霍尔电压；
L为螺线管；
H为霍尔片；
K1，K2，K3均为单向开关；
Z为可移动装置，包括导轨、滑块、霍尔片支撑元件、可调支撑架等.
2.3 运用TRIZ结合EE-FBS功能设计方法指导学生进行实验
实验技术系统初步构建完成后，该系统结构是否合理?能否完成预设的总功能?实验误差是否在合理范围?等等，这些问题都需要对实验技术系统通过做实验来检验.根据EE-FBS的步骤(7)“检验”的方法，学生需要依据最终确定的物理模型分别对实验技术系统的功能结构和原理结构进行检验.具体措施是结合TRIZ方法如矛盾分析、流分析、物场分析等，通过观察实验对象及相关物理量在物理过程中的物理现象，记录并计算实验数据来判断系统功能关系是否存在冲突，系统原理结构是否可靠和冗余，发现问题，做好记录.
2.4 指导学生运用TRIZ分析实验误差、优化实验方案、再实验
学生可充分运用强大的TRIZ的分析问题工具如矛盾分析、因果分析、资源分析等进行实验误差分析，能得到较以往更为系统、完整的误差分析，并找出存在的问题，在此基础上，运用TRIZ解决问题的工具进一步优化实验方案.例如，按照图8的方案进行实验，发现实际测到的磁感应强度误差较大，再运用TRIZ的因果分析工具进行分析，发现造成误差大的原因是霍尔效应的四个主要的副效应产生的附加电势差叠加在霍尔电势差上.从流(物质、能量、信息在技术系统及环境中的运动)的角度看，这些附加电势差是一种有害流，把误差大的问题转换为TRIZ的“流类型”问题模型中的“系统中的有害流”问题模型，就可以运用TRIZ中的“18个减少或消除有害流的措施[15]”进行解决.通过查询这18个措施，结合本实验的具体情况，选择“组合一个流或引入一个反向流[15]”这一具体的措施作为概念解，从这一概念解中得到启示：引入一个反向的电势差去消除这个附加电势差.因此，用一个简单的办法即将图8中的开关改成双刀双掷开关S1，S2，S3(图9).
图9 实验技术系统优化后的原理结构
通过改变励磁电流、霍尔电流的方向，就可以得到反向的附加电势差，再求其平均值即可消除大部分附加电势差.
分别用图8优化前方案和图9优化后方案做对比实验，最终结果如表2所示：
表2 实验方案优化前后磁感应强度大小及相对误差对比
实验结果显示实验方案优化后相对误差较优化前大幅减少.通过这个实验案例可以看出，对于创新性物理实验误差的原因分析，学生可通过运用TRIZ强大的分析问题工具，逐步分析出产生实验误差的本质原因，再利用TRIZ解决问题工具，引导启发学生进行创新，找到解决问题的办法，再进一步实验，直至实现实验的目标要求.
本文探讨了如何运用TRIZ结合EE-FBS功能设计指导学生进行创新性物理实验的方式方法，在学生如何选择实验课题、制定实验方案、实验及实验后的误差分析、优化实验方案等方面进行了论述，并以霍尔效应法测量通电螺线管轴线磁场分布实验为例，按照求解工程技术系统问题的方式，运用TRIZ结合EE-FBS功能设计这种新方式进行实验，验证霍尔效应法测磁场实验结果，由此归纳总结出基于TRIZ与EE-FBS的大学物理创新性实验方法：学生在教师指导下，运用TRIZ科学效应库工具进行课题选择；
运用EE-FBS功能设计方法推理并选择确定最优物理模型、构建实验技术系统而形成初步实验方案；
通过做实验验证实验方案并认真观察实验现象，做好问题记录；
实验后，再运用TRIZ方法进行误差分析和实验方案的优化，再实验，直至达到实验目标要求.
该实验方法可做到以学生为主体，教师为主导，充分调动和发挥学生的主观能动性，积极自主学习、自主实验；
解决学生在创新性物理实验中选题困难、不能自主制定实验方案、理论与实际脱节等难点痛点问题，很好地培养学生的创新意识、创新思维，提高学生的创新能力和分析问题解决问题的能力.
