TRIZ理论标准化解题流程的拓展及在大气化学教学中的应用

陈强 朱玉凡 杨宏

摘  要：在高校课堂教学中，培养学生的科学思维是人才培养的重要环节。文章分析了TRIZ理论解决问题标准化流程中包含的从特殊问题抽象事物的本质和利用一般规律映射到具体问题解决的两种思维方法，将TRIZ理论解决工程技术领域问题的标准化流程拓展到待解决的自然科学问题的研究领域，在待解决实际问题和最终解决方案之间建立通用问题模型和快速寻找合适的科学理论和方法得到通用解的桥梁，将通用解映射到实际问题得到最终解决方案。拓展的TRIZ理论解决问题标准化流程在自然科学问题研究上具有广泛的应用性、普遍性和高效性，将其应用到《大气化学》光化学反应动力学的教学中，建立了解决光化学反应动力学问题的标准化流程，使学生容易理解和掌握化学反应动力学知识，能有效地培养学生科学的思维方法和提升本科生创新能力。

关键词：TRIZ理论;解决问题标准化流程;大气化学教学

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：2096-000X（2019）14-0071-04

Abstract： In the classroom teaching of universities， cultivating students' scientific thinking is a vital part for talent cultivation. The two thinking modes of the essence of abstract things from special problems and the use of general laws to map to specific problems are contained in the problem solving standardization process of TRIZ theoretical. The problem solving standardization process of TRIZ theoretical is expanded to solve problems in the natural sciences. Building a common problem model between the actual problem to be solved and the final solution can help researchers quickly find the rational scientific theory or method to get a general solution， and then get the final solution. The expanded standardization process of problem solving， which has broad applicability， universality and high efficiency in innovative methods， is introduced into the teaching of photochemical reaction kinetics of atmospheric chemistry. These can effectively cultivate the scientific thinking and improve the innovative abilities of students.

Keywords： TRIZ theory; problem solving standardization process; atmospheric chemistry teaching

高等教育肩負着培养高素质科学研究和社会服务型人才的重要使命，是实现中华民族伟大复兴和国家发展战略目标的重要保障途径。高等教育的目标之一就是提升学生科学的思维能力[1，2]，在课程教学中，如何培养学生科学的思维方式已成为高校人才培养的主要研究课题之一[3，4]。科学思维是人类在科学活动中所使用的思维方式，包括逻辑思维、形象思维和灵感思维[5]。前苏联发明家根里奇·阿奇舒勒在对近250万件高水平发明专利分析的基础上，综合多学科领域的知识，发现了解决各种技术矛盾和物理矛盾的创新原理和法则，提出了发明问题的解决理论（TRIZ理论）[6]。被称为“超级发明术”的TRIZ理论是基于技术系统的发展演化规律，通过科学思维分析待解决问题，高效地指导人们进行发明创造和解决工程领域难题的系统化的创新方法学[7]，自从该方法公布以来，在工程技术、管理、社会等诸多方面得到有效的应用[8]。近年来，国内外部分高校也将TRIZ理论纳入高等学校的教学内容，有效地提升了学生的创新能力[9，10]。

TRIZ理论为人们创造性地解决工程技术领域问题提供了系统的理论和方法，其中，系统和规范的标准化解题流程是TRIZ理论在科学思维实际应用上的重大贡献之一。目前，有学者探索TRIZ理论在其它学科教学中的应用[11]，尚处于探索阶段，没有形成系统的理论框架。化学反应动力学教学对完善学生的知识结构和培养创新能力有重要意义[12]，也是大气化学教学的重点和难点之一。本研究剖析了TRIZ理论标准化解题流程中的思维方法，将其解决工程技术问题的流程进一步拓展到解决自然科学问题，并应用于大气化学的课程教学，探讨高校本科生创新能力培养的途径。

一、TRIZ理论解决问题的标准化流程及拓展

TRIZ理论是以科学知识为基础，运用科学思维创建的系统化解决问题的方法和理论。阿奇舒勒认为通过科学的方法分析待解决的实际问题，发现隐含在其中的核心矛盾;将待解决的实际问题进行归纳，抽象为通用的TRIZ问题模型;应用TRIZ带有普遍性的创新理论和算法工具得到通用问题模型的TRIZ通用解;进一步将通用解映射到具体问题得到实际问题的解决方案，见图1。

TRIZ理论是在待解决的实际问题和最终解决方案之间，通过构建问题模型和通用解的桥梁为解决实际问题指明了方向，避免了传统试错法因没有明确的解决方向而导致的失败，明显的提高了解决的实际问题的效率。解决问题的步骤科学化和规范化是TRIZ理论在科学思维实际应用上的重大贡献，也是其得以广泛应用的关键。

对TRIZ理论解决问题流程标准化中的科学思维模式进行剖析，发现其核心是通过特殊问题抽象事物的本质和利用一般规律映射到具体问题的两种思维方法构建TRIZ问题模型和通用解的桥梁高效地解决实际问题。将TRIZ解决问题流程标准化的科学思维模式进一步外推到自然科学研究中， 把人们关注的自然科学中客观存在的事物及其运动形态定义为研究对象，对应于TRIZ理论解决工程技术问题中的待解决的实际问题。实际的研究对象具有复杂性，很难直接找到现有的科学理论和方法解决实际问题。因此，通过对表征研究对象数据的收集和分析，使用科学语言精确地描述研究对象。将研究对象的表象进一步归纳、简化，抽象其内在本质，从而建立可用科学语言表达的定量化的通用问题模型。通常数学模型的描述能精练和准确地反映研究对象的本质，因此，很多通用问题模型最终都转化为数学模型。然后就可以使用已有的科学理论和方法，借助计算机技术进行求解，得到通用解，最后再映射回去解决实际的问题。解决自然和社会实际问题的标准化流程见图2。

通用问题模型只是科学认识研究对象的一种独特形式，建立通用问题模型本身并不是最终目的。通过通用问题模型及其通用解这座桥梁，提高利用科学理论和方法解决实际问题的效率，在任何自然和社会科学研究中具备广泛应用的基础。因此，解决实际问题的标准化流程是一种重要的创新思维方法。以解决光化学反应动力学问题的标准化流程为例来说明解决实际问题的标准化流程的应用。

二、建立解决光化学反应动力学问题的标准化流程

（一）研究对象-光化学反应速率问题的确定

培养学生发现问题和提出问题要比学生在老师的指导下解决问题更重要。因此，在教学活动中，如何充分激发和调动学生的积极性和主观能动性，培养学生发现问题的能力是课堂教学的重要环节。在光化学反应动力学教学中，以我国臭氧污染这一大众关注的热点环境问题为例，提升学生学习兴趣，将因果分析的方法引入课堂教学，培养学生发现问题的能力。

早在上世纪70年代，兰州西固区就出现了光化学烟雾现象，近几年我国城市臭氧污染问题凸显，对人体健康和大气环境质量造成严重的不良影响。面对臭氧污染问题，利用因果分析的方法，让学生探索臭氧污染形成的原因。在大气存在NOx时，光照下发生光化学反应生成NO和O3，同时O3又直接将NO氧化或光解生成O将NO氧化为NO2（即反应1见图3），此时，大气中的臭氧不会大量积累。当大气中存在VOCs时，活性O等参与反应生成的过氧自由基（RO2或RCOO2等）将NO氧化为NO2，反应1和2为竞争反应（见图4），如果反应2的速率快于反应1，会导致O3浓度的增加。如何通过定量方法证实这一推测呢？就需要认知参与光化学反应的每个反应的快慢，使学生明白通过对光化学反应的动力学的研究可揭示环境空气中臭氧浓度的变化。

（二）建立通用问题模型及求解通用解

以学生为主体，充分调动学生应用已有的知识和方法来学习新的知识，可以有效地激发学生学习兴趣，养成自主探索的学习习惯。启发学生联想物体运动的快与慢的问题就是物体运动的速率，采用类比的研究思路和方法理解光化学反应速率。化学反应的本质是反应物分子的化学键断裂和新的化学键形成新分子的微观运动，宏观表象为反应物减少甚至消失以及生成新的产物。不论物体运动的速率还是化学反应的速率，都可以抽象为单位时间某一变量的变化，因此，建立通用光化学反应动力学问题模型是两个变量之间的关系问题。根据拓展的TRIZ理论解决问题的标准化流程，从已有的科学理论和方法中寻找解决两个变量之间关系的问题的方法，通常解决两个变量关系的数学方法有列表法、图像法和函数法。不论是反应物还是产物的浓度均随时间的变化而变化，浓度（c）和时间（t）两个变量都为可测的量，把不同反应时间测定的物质浓度列表，利用打点计时器法计算物体运动平均速率的方法，很容易得到化学反应的平均速率，但无法得到某一时刻的瞬时速率。根据测定的数据制作浓度-时间图，即光学反应动力学动力学曲线（或c-t曲线），通过计算曲线上任意一点切线的斜率，就可以得到任意时刻的瞬时速率。借助计算机技术拟合得到的浓度与时间的函数关系（表达为c=f（t）），计算任意时刻该函数的一阶导数值则为该时刻的瞬时速率。根据计算的反应速率进一步得到反应速率与浓度的关系函数，r=f（c），这一关系就是化学反应速率方程的通用解。通过通用问题模型和求解通用解，学生很容易掌握宏观光学反应速率的研究方法。解决光化学反应动力学问题的标准化流程见图5。

（三）最終解决方案

环境空气中，NO2光解是臭氧产生的主要反应，以NO2光解反应为例，将化学反应速率通用解映射到具体如下反应中：

根据实验测定的NO2光解反应的NO2浓度和时间的动力学曲线，通过拟合得到NO2的光解反应速率方程如下：

学生能完全理解光化学反应速率的应用。再把反应速率方程进一步推广到任何一个化学反应：

介绍Guldberg 和Waage经过系统研究，得出反应动力学速率方程的数学表达式如下：

方程式中的α，β为反应级数。比例系数k即为反应速率系数，是一个与浓度无关的表征化学反应速率特征的重要参数，其物理意义是当反应物的浓度均为单位浓度时的反应速率。利用拓展的TRIZ理论解决问题的标准化流程和学生掌握的物体运动速率的知识，学生很容易理解和掌握光化学反应动力学的知识点，在实际教学中也取得很好的效果。

将TRIZ理论解决问题的步骤和思维方法引入到光化学反应动力学的教学中，建立解决光化学反应动力学问题的标准化流程（见图5），培养学生通过特殊问题抽象事物的本质和利用一般规律映射到具体问题两种思维方法。针对具体问题能够遵循TRIZ理论中思维训练的基本步骤，使学生更好地掌握知识贯通与迁移能力，使学生能够高效地发现问题、准确定义问题的矛盾，逐步克服思维局限，提高学生解决实际问题的创新能力。

三、结论

（1）将TRIZ理论解决问题的标准化流程的应用拓展到解决自然和社会科学问题的研究领域，在待解决的实际问题和最终解决方案之间建立通用问题模型这座桥梁，可以帮助研究者快速寻找合适的科学理论和方法得到通解，进而映射到最终解决方案，拓展的TRIZ理论解决问题标准化流程的具有广泛的易用性、普遍性和高效性。

（2）将拓展的TRIZ理论解决问题标准化流程引入到光化学反应动力学的教学中，建立解决光化学反应动力学的标准化流程，可以有效地培养学生通过特殊问题抽象事物的本质和利用一般规律映射到具体问题两种思维方法，提升本科生创新能力。

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