基于 TRIZ 理论的高校物理演示模拟研发改进的想法
分类：电子论文 发表时间：2020-09-12 19:08
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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 理论后，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。
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。
物理老师评职论文投稿刊物：《大学物理》我国物理类核心杂志 是中国物理学会主办的、以高校物理教学研究为主要内容的学术性刊物，是中国科技论文统计源期刊及我国物理类核心期刊。
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 = dLz dt = d J ( ) zω dt = 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.
作者：于 娜 王林杰 刘雪华
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