推广_技术创新方法_TRIZ理论_提高学生的创新能力

文章编号：1672-5913(2008)08-0118-03

推广“技术创新方法”(TRIZ理论)，

提高学生的创新能力

李东，苏小红，童志祥

(哈尔滨工业大学 计算机科学与技术学院，哈尔滨 150001)

摘要：本文通过对计算机组成技术发展过程中创新成果的分析，探讨了“技术创新方法”对学生创新思维培养的重要意义。

关键词：技术创新方法；计算机硬件实验；计算机组成技术；创新

中图分类号：G2 文献标识码：B

前苏联发明家阿奇舒勒(G.S.Altshuller)是一个传奇式的人物，他在14岁时就获得了首个专利证书。从1946年开始，阿奇舒勒对世界各国250万份高水平发明专利进行了系统地分析，总结出人类进行发明创造解决技术问题过程所遵循的40个原理和法则，建立了一个由解决技术问题，实现创新开发的各种方法、算法组成的具有完整理论体系的创新方法，即“TRIZ理论”(TRIZ是Theory of Inventive Problem Solving的缩写)。国内的正式名称为“技术创新方法”。

阿奇舒勒将问题分为常规问题与发明问题。所谓问题，就是技术系统的初始状态与理想状态之间存在距离。解决问题的过程就是使技术系统的初始状态通过一个步骤或多个步骤的变换实现或接近理想状态的过程。如果实现变换的所有步骤都已知，则要解决的问题属常规问题；若至少有一个步骤未知，则该问题属发明问题。“TRIZ理论”关注的是解决发明问题。

“TRIZ理论”引入我国只是近几年的事，但已经逐渐得到国内诸多科研结构、公司和专家的重视。国家科技部于2007年8月13日下发文件(国科发财字[2007]479号)批准黑龙江省、四川省为“技术创新方法试点省”。

实现自主创新，关键在人才。培养造就大批高素质的具有蓬勃创新精神的人才是高等教育的一个重要目标。因此，推广“技术创新方法”高等院校责无旁贷。1 “TRIZ理论”的基本概念和基本观点

“TRIZ理论”认为：问题来源于矛盾。解决矛盾有两个方法：一是在冲突参数间寻找折衷方案，二是消除矛盾。“TRIZ理论”就是通过消除矛盾来解决问题。

“TRIZ理论”的基本概念有两个：技术矛盾和物理矛盾。所谓技术矛盾，是指在一个技术系统中，当一个参数被优化时，另一个参数就变差，例如计算机中微处理器的工作频率提高(处理速度加快)，但产生的热量增多。物理矛盾则是指同一个参数的两个互相对立的特性，如温度的冷与热，几何尺寸的长与短，计算机指令格式是定长的与非定长的。

运用“TRIZ理论”进行发明/创新的关键就是找出矛盾，并分析矛盾是技术矛盾还是物理矛盾，然后利用不同的TRIZ工具，通过类比思考的方式，找到解决矛盾的思考方向，技术进化的过程就是不断解决存在矛盾的过程。

通常一个矛盾将被分解为若干层次的子矛盾，然后再自底向上地解决这些子矛盾。在对矛盾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理论”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)发明是系统矛盾的解决过程，要避免改进系统的某一部分属性时，使其他某些属性恶化。(4)物理矛盾是“TRIZ理论”需要研究解决的关键矛盾。

投稿日期：2008-04-01

作者简介：李东(1967-)，男，博士，广西，教授，校级教学带头人，研究方向是计算机组成与体系结构、并行计算。苏小红(1966-)，女，博士，辽宁，教授，博士生导师，研究方向是图像处理，信息融合。

基金项目：黑龙江省新世纪高等教育教学改革工程项目

118Computer Education 本科专业课程建设

对于第一个观点，TRIZ的一个基本观点是“系统是朝着不断增加的理想状态进化的”。技术系统理想状态包括3个方面内容：①系统的主要目的是提供一定功能。传统思想认为，为了实现系统的某种功能，必须建立相应的装置或设备；而TRIZ则认为，为了实现系统的某种功能不必引入新的装置和设备，而只需对实现该功能的方法和手段进行调整和优化。②任何系统都是朝着理想化方向发展的，也就是向着更可靠、简单有效的方向发展。系统的理想状态一般是不存在的，但当系统越接近理想状态，结构就越简单、成本就越低、效率就越高。③理想化意味着系统或子系统中现有资源的最优利用。

阿奇舒勒将他研究过的20万个发明专利所涉及的发明问题分成五个级别：

第一级“具有明确的解”：利用已知方法继续发展现有技术系统(例如：增加壁的厚度以提高强度)。这个级别的专利占总数的32%。严格来说，这些专利不算发明。

第二级“对现有技术系统的少量改进”：这种改进往往是妥协的折衷解决方案(例如：可调整倾斜角度的方向盘)。这个级别的专利占总数的45%。

第三级“根本性的改进”：运用现有技术实现现有技术系统的重大改进(例如：用鼠标来操作计算机)。这个级别的专利占总数的18%。

第四级“全新的概念”：运用新的技术产生新的一代技术系统(例如：内燃机车取代蒸汽机车，集成电路取代分立的晶体管)。这个级别的专利占总数的4%。

第五级“基础性的发现”：发现新的自然现象(例如：发现X光射线、激光、青霉素、DNA、超导材料等)。这个级别的专利占总数的1%。

阿奇舒勒认为：目前77%的专利属于一级和二级发明。“TRIZ理论”作为可普遍运用的原理和可定义的思维模式，帮助发明者将发明提高到三级和四级的水平。

2 TRIZ工具体系

通过对大量发明专利的研究，阿奇舒勒提出了有关发明创造的基本规律。首先，不同领域的发明涉及的理论大部分是被反复利用的；其次，发明的原理和方法往往是融合了各个工程领域的内容；第三，类似的矛盾与解决原理在不同工业及科学领域交替出现；第四，技术系统进化模式在不同科学领域交替出现。

因此，阿奇舒勒设计了一套工具来解决发明问题，具有很强的可操作性。经典的TRIZ工具是：40个发明创造所遵循的原理，表述系统性能的39个通用参数，物—场分析法及发明问题的76个标准解法，解决物理矛盾的4大分离原则和11种分离方法等。其中40个发明创造所遵循的原理，是解决技术矛盾的关键。3 教学中推广“技术创新方法”

“计算机组成技术”课程为非计算机专业的本科学生开设的一门重要的技术基础课，教学内容主要包括计算机的产生和发展、计算机的基本结构与工作原理、计算机中信息的表示与运算、存储器与存储系统、输入输出技术与外部设备、汇编语言程序设计等。

“TRIZ理论”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。在以往的教学工作中，我们比较重视强调专业知识的传授，而缺少科学思维、科学方法方面的引导和训练。因此，在“计算机组成技术”课程中推广“TRIZ理论”，对提高学生的创新能力有着重要的意义。

3.1 在课堂内，通过对创新知识点的分析，推广“TRIZ理论”

在教学过程中，每讲完一个知识点，就考虑采用TRIZ 理论中40个发明创造原则中的一个来启发学生思考该知识点从问题提出到有效解决的过程，激发他们的联想思维、想象思维、灵感思维，进而提高学生的创新能力。

“计算机组成技术”中最重要的知识点就是“V on Neumann计算机”的基本结构，这个结构是由著名科学家V on Neumann在1946年6月发表了一篇旨在构建一台通用计算机的技术报告“关于电子计算装置逻辑结构初探”。这份报告提出了以存储程序来进行控制的电子计算装置EDV AC的设计方案(如图1所示)。

这个方案提出的“存储程序”的思想是指：计算机的用途(程序/软件)和硬件完全分离。硬件结构采用固定性逻辑，其功能是固定不变的。通过编制不同功能的程序(软件)来满足不同用户对计算机的应用需求。依照这个设计方案设计实现的电子计算机后来被称为“V on Neumann计算机”。时至今日，在市场上能看到的电子计算机几乎都是“V on Neumann计算机”。“V on Neumann计算机”的特点是：

(1) 计算机由存储器、控制器、运算器、输入设备和输出设备等五个部件组成。

(2) 存储器是由一组一维排列、线性编址的存储单元组成，按照地址来访问存储单元。

(3) 指令由操作码和地址码两部分组成，操作码规定了指令的操作类型，地址码指示操作数在存储单元中的地址。

(4) 程序(指令)与数据是同等地不加区分地存储在同一个存储器中。

(5) 指令在存储器中按顺序存放。计算机逐条、顺序地执行指令。

(6) 指令和数据均以二进制数来表示。

综上所述，“V on Neumann计算机”最光辉的思想是“存储程序”，最突出的特点是把计算机分成存储器、控制器、运算器、输入设备和输出设备等五个部件。

119

120

Computer Education

本科专业课程建设

图1 Von Neumann 计算机结构

从思想看，“存储程序”的核心就是将计算机的功能分

成两部分：基础功能和用户特需功能。基础功能是于具体应用的，或者说是与用户无关的，由机器(硬件)来提供；用户特需功能是与用户有关的，不同的用户可能需要不同的功能，由程序(软件)来完成。

从结构看，早期的计算机中，实现不同功能的器件是混在一起的。到了“V on Neumann 计算机”，计算机的基础功能被进一步分成：运算功能、存储功能、输入功能和输出功能。实现这些功能的器件被分别划分成存储器、控制器、运算器、输入设备和输出设备等五部分。

由此可见，“Von Neumann 计算机”的提出正好应验了TRIZ 理论中40个发明创造原则中的第1个原则“分割原则”：(a)将物体分成的部分；(b)使物体成为可拆卸的；(c)增加物体的分割程度。

“V on Neumann 计算机”的设计方案对后来电子计算机的设计产生了深远的影响。时至今日，绝大多数计算机都属于“V on Neumann 计算机”，可见“V on Neumann 计算机”的创新价值。

又如，在介绍完计算机的存储体系后，可以利用第3个原则“局部性质原则”(a ．从物体或外部介质(外部作用)的一致结构过渡到不一致结构；b ．物体的不同部分应当具有不同的功能；c ．物体的每一部分均应具备最适于它工作的条件。)来分析计算机的存储系统。

对于计算机存储系统，它面临的问题是访问速度快的存储器价格昂贵且容量较小；而容量大的存储器价格虽然便宜，但是访问速度太慢。它的设计目标是存储系统应该能够以很高的速度向微处理器提供数据，而且存储系统的总体价格适中。为此，人们提出了高速缓存—主存储器的层次结构：在靠近微处理器的地方设置速度快的存储器(即高速缓存)，尽管它的容量较小。在高速缓存的外围设置容量大的存储器(例即主存储器)，尽管它的访问速度慢。高速缓存的价格比主存储器要便宜得多。

进一步利用这个原则，在微处理器内部还可以设置速度更快的存储单元——寄存器组，尽管它的容量要比高速缓存小两个数量级，而且价格是最贵的，但是它的速度比高速缓存快一个数量级。在主存储器之外，还设置了容量更大的辅助存储器。辅助存储器的速度是最慢的，但是价格也是最便宜的。

这样，把存储系统设计成：寄存器—高速缓存—主存储器—辅助存储器结构，就实现存储系统的设计目标。

再比如，计算机上不同的插头要插入不同的插座。为了避免发生错误。同一对插头和插座用同样的颜色，不同的插头—插座对用不同的颜色。这就很好地体现了第32个原则“改变颜色原则”(a ．改变物体或外部介质的颜色；b ．改变物体或外部介质的透明度；c ．为了观察难以看到的物体或过程，利用染色添加剂；d ．如果已采用了这种添加剂，则采用荧光粉。)

3.2 在课堂外，通过创新实践培养学生的创新能力 为了培养学生的创新能力，哈尔滨工业大学计算机科学与技术学院在计算机硬件教研室和计算机硬件实验中心的基础上于2008年2月成立了计算机硬件创新实验室，构建第二课堂，鼓励学生参与创新活动。

计算机硬件创新实验室有专门的实验场地和设备，众多计算机实验设备厂商也赞助了它们最新的实验设备。计算机硬件教研室和计算机硬件实验中心选派经验丰富的教师成立了指导教师队伍。积极支持学生参加各级挑战杯的竞赛活动。在创新实践中培养学生的创新能力。

4 结束语

创新理论和创新实践都证明，创新能力是人的一种潜能，是人人都具有的一种能力，而且这种能力可以经过一定的学习和训练得到激发和提升。事实证明创新和其他活动一样，也具有自身一套内在的规律和方法。熟知和掌握这些创新规律与原理知识对于提升我们的创新水平和效率都具有重要的价值。

因此，在强调创新人才培养、注重提高创新能力的今天，在教育体系和人才培养体系中推广TRIZ 理论，有着极其重要的意义。

参考文献

[1] 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. [2] 檀润华. 创新设计TRIZ：发明问题解决理论[M]. 北京:机械工业出版社,2002. [3] 赵新军. 技术创新理论(TRIZ)及应用[M]. 北京:化学工业出版社,2004.