基于TRIZ理论的高校物理演示模拟研发改进的想法

来源:用户上传      作者:于娜 王林杰 刘雪华

　　摘 要：以往的演示仪器的制作和改进没有方法论上的依据，研发行为较为随机，仪器功能单一，研发效率不高。引入TRIZ理論后，可对改进、研发演示仪器的行为进行指导，帮助快速指出矛盾，缩短时间。
　　关键词：大学物理;演示仪器制作;TRIZ理论
　　物理学是从实验中提取规律的学科，对今天和未来的科技发展都有紧密的联系和影响。从我国航天事业的发展，到量子芯片的研发;从北斗系统的建立，到微创手术的实施，都离不开物理作为基础的作用。在学习物理知识时，若能直接观察现实模拟，有助于学生加深对知识的理解，体会其中蕴含的物理学方法。制造能简洁的展示物理规律的演示仪器就很有必要。
　　由阿奇舒勒创立的TRIZ理论，是发明问题的解决理论，也可叫做创新理论[3]。利用TRIZ理论指导演示实验仪器的创新制作，能有效的提升知识转化可视现象的效率。
　　1 目前物理知识转化演示仪器遇到的困难
　　从调研中可知，为了加强学习效果，有的院校构建立体式学习环境，建立了演示实验中心（以北京交通大学为例）、演示走廊（以北京航空航天大学为例）[1]，还有学校调整教室结构，方便演示仪器进入课堂（以清华大学为例）。可以看出，院校对于物理基础课的重视和为了提高学生对知识的接受度作出的努力。把理论知识通过演示仪器表现出来，成了教师们的热点问题。以往的演示仪器制作一般只考虑物理原理如何展现，一台演示仪器针对一种物理规律，仪器的制作和改进没有方法论上的依据，研发行为较随机，仪器功能单一，研发效率不高[3]。
　　2 TRIZ理论能解决的问题和创新原理
　　20世纪50年代起，阿奇舒勒带领TRIZ理论研究团队通过分析近250万份高水平发明专利，提出了发明创造的原理及规律[2]。运用该理论，能准确确定问题探索方向，突破思维障碍，以新的视角分析问题，能使发明创造行为更加科学化，而不是随机行为。TRIZ理论在全世界广泛应用，创造出大量重大发明，帮助企业改进技术，减少研发经费，缩短研发时间，从而获得了重大的经济效益和社会效益。TRIZ理论通过对问题情境进行系统分析，快速发现问题本质，对创新性问题提供更合理的解决方案和解决办法。TRIZ理论的基本措施目前总结为40条创新原理，在社会学、建筑、生物学、医疗、商业、工业、教育等领域都有指导作用。
　　3 利用TRIZ理论解决问题实例
　　3.1 基于拆出原则改进茹可夫斯基凳
　　拆出原则是指从物体中拆出“干扰”部分或相反，分出唯一需要的部分[2]。刚体的定轴（z轴）转动的质点系角动量守恒定律，当轴力矩Mz=dLzdt=dJzωdt=0时，轴角动量Lz=Jzω是常量，角动量守恒。其中Jz为轴转动惯量，ω为刚体绕轴转动角速度。此规律在生活中较为常见，例如宇航员在失重状态下悬空，以自身为轴的力矩为零，对轴角动量守恒。若宇航员要向左转，需要用一只脚向右旋转，身体由于角动量守恒，会向左旋转。演示此规律的常规演示仪器是茹可夫斯基凳，一张可绕中央轴左右随意旋转的摩擦力很小的椅子，实验者坐于其上，手持水平轮子的轴承，可近似认为重力轴上力矩为零，轴角动量守恒。当轮子向右转，实验者身体向左转。此仪器的缺点一是较大较重，不好携带，二是实验者坐的姿势、位置若偏离中央轴，实验现象不明显。根据TRIZ理论分析了茹科夫斯基凳的“有效”部分为摩擦力很小的旋转部分，将其拆分出来，去掉椅子。所以制作一个轻质材料的可容纳两脚大小的两层圆站台，两层材料之间用轨道滚珠相连。转台中央轴做中空，将手持轮子的轴承卡于其内，方便移动，解决了问题一。实验者使用时直立站立其上，身体不会偏离中央轴，解决了问题二。
　　3.2 基于组合原则和多功能原则研发干涉衍射实验仪
　　组合原则指把相同的物体或类似操作的物体组合结合起来。多功能原则指一个物体执行多种不同功能[2]。在光学中，杨氏双缝干涉、单缝衍射和圆孔衍射是要学习的基本规律。通过演示现象可以观察不同入射波长对同一孔径的现象，双缝干涉中双缝距离变化对干涉花样的影响等一系列规律。分析这三种光路的相同点和不同点。相同点：双缝干涉和单缝衍射光透过孔径形状为细缝;单缝衍射和圆孔衍射都是光通过单一孔径。不同点：双缝干涉需要把光分成两束再相遇干涉;单缝衍射和圆孔衍射，光穿过的孔径形状不同。基于以上分析，利用组合原则，把功能具有相同点的可结合部分结合。干涉衍射仪基本组成部分如下图，孔径卡牌设有单缝，单孔，宽距双缝，窄距双缝和从光源起始光线完全分离双缝等多种类型。这台仪器经过卡牌组合可以显示双缝干涉、单缝衍射和圆孔衍射。仪器可以演示相同入射波长双缝干涉受缝间距影响的干涉图样变化。基于多功能原则，激光光源设置双色光源，内置红色激光和绿色激光。仪器可以演示不同入射波长对干涉图样、衍射图样的影响。在讲解相干光时，同时打开红光和绿光，使用完全分离双缝卡牌，会使一条缝出射红光，另一条缝出射绿光，不会形成双缝干涉图样，方便学生理解。
　　4 总结
　　在TRIZ理论指导下研发新的演示仪器或改进已有的演示仪器，有了方法论上的支持，可以提高研发的效率，节约经费。物理知识涵盖范围广泛，有的演示仪器即使用TRIZ理论其技术矛盾也不能解决，还需要进一步努力。
　　参考文献：
　　[1]李英姿，陈强，等.关于物理演示走廊的一些思考和实践[J].大学物理，2001（04）：25-26.
　　[2]杨清亮.发明是这样诞生的：TRIZ理论全接触[M].北京：机械工业出版社，2006.
　　[3]杨林君，陈建勇.遥控式角动量守恒演示仪[J].新校园（上旬），2015（07）：44.
　　项目：河北省高等教育教学改革研究与实践项目（批准号：2018GJJG649）;河北省实验教学示范中心建设项目;北京交通大学海滨学院优秀教学团队建设项目;北京交通大学海滨学院教科研项目
　　*通讯作者：刘雪华（1983-），女，汉族，辽宁辽阳人，硕士研究生，讲师，研究方向：等离子体物理。
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