基于可拓创新方法的项目式教学研究

Research on Project-based LearningBased on the Extension Innovation M ethodZhang Xiao-wei ，Li Su-yang ，Tang Wen-yan，Cheng Si-yuan ，Yang Chun-yan(1.School of Electromechanical Engineering，2.Research Institute ofExtenics and Innovation Methods，Guangdong University of Technology，Guangzhou 5 10006，China)Abstract：It proposes the introduction of extenics into the project-based learning to improve studentsin-novation ability.According to the process of product design，it presented the ways of applying extenics insolving non-compatible problems via the design of a mechanical transmission device.The results showthat the method is feasible to improve studentsability of analyzing and solving problems and to train theirinnovation ability，thus providing reference for teaching in other universities。

Key words：extenies；project-based learning；innovation ability；non-compatible problems随着科学与技术的飞速发展，社会对创新人才的需求不断加大，培养具有工程与创新能力的大学生已经成为高校当前紧要的任务 J.实践教学是将理论与实践相结合的教学环节 ，是培养学生工程能力与创新能力的关键环节.项 目式教学法将要讲授的知识集结在-个或多个项 目中，学生完成项 目，从而掌握所学知识 .与传统教学方法相比，项 目式教学用创新教育的理念贯穿教学，使学生直接参与体验，调动了学生学习的积极性和主动性，培养学生分析问题、解决问题的能力，培养学生的工程能力和创新意识.该教学法对老师提出了更高的要求，即不仅要全面掌握本学科知识还要具有分析问题解决问题的能力，同时又需要学生的主动配合，积极投入。

而学生在校学习期间通常实践知识不足，即使有热情，但由于经验不足，设计内容缺乏创新，特别是在概念设计阶段.如果能让学生打破思维惯性和传统的思考问题的方法，学会拓展思维，掌握创新的方法，将加速问题的解决 ，提升问题解决的创新性，进而提升学生的创新能力。

1 将可拓创新方法引入项目式教学项 目式教学法是-种以项 目为基础，以学生为中心，以小组讨论为形式，在辅导老师带领下，学生进行学习的教学模式.完成-个项 目通常是根据-定条件来实现-个或多个 目标，有时根据现有条件可以直接达到预期 目标，但多数情况是根据现有条件不能直接实现预定 目标，这就需要寻求并采取某种策略来解决现有条件与预期 目标之间矛盾的问收稿日期：2012-i0-26基金项目：国家科 技部 创新方 法工作专 项资助 项 目(2011IM020300)；2011年 度广 东省创 新方法 工作 专项 资助项 目(201113061100001)；广东省省部产学研结合项目专项资金资助(2011A091000040)作者简介：张晓伟 (1977-)，女 ，讲师，博士，主要研究方向为创新理论 、现代模型设计。

14 广 东 工 业 大 学 学 报 第 30卷题.而-个项 目通常又可划分成多个相对独立而又密切联系的子项 目，完成子项 目同样也可能需要解决若干矛盾问题，这样，-个项目实际上可以看作-个由若干矛盾问题组成的系统.例如图 1所示为产品设计项目的工作流程.而学生在校学习期间通常经验不足，在解决矛盾问题时常按照传统的思考问题的方法进行，如试错法、头脑风暴法等，但这些传统方法往往费时费力，具有很大的随机性和偶然性，且问题解决的创新效果很难保证.为此，可以让学生打破思维惯性和传统的思考问题的方法，学会拓展思维，掌握创新的方法，进而提升学生的创新能力。

产品规划分析产品环境任务说明书确定部分任务，功能结构详细设计主施工设计N试制、批量生产、销售图 1 产品设计流程Fig.1 Work flow of the product design project可拓学”是以广东工业大学蔡文教授为首的我国学者创立的新学科 ，它用形式化的模型研究事物拓展的可能性和开拓创新的规律、方法，并用于处理矛盾问题.在可拓学中，把矛盾问题分为 3类：第 1类是主观和客观矛盾的问题，简称为不相容问题；第 2类是主观和主观矛盾的问题，简称为对立问题；第 3类是自然存在的、没有人为干涉的客观矛盾问题.可拓学主要研究第 1类和第 2类矛盾问题。

可拓论认为，处理矛盾问题要从传统的等量思维转向拓展”思维，拓展出-批对象，再从中找到适合于解决问题的对象.可拓学的逻辑细胞是基元，包括物元、事元和关系元.可拓创新方法是可拓学特有的方法，包括发散树、分合链、相关网、蕴含系、共轭对、可拓变换、优度评价、菱形思维及转换桥等方法.利用可拓创新方法处理矛盾问题包括4个基本步骤，分别是：形式化表示、拓展、变换、评价，最终寻求较优的解决方案.下面结合-个机械传动装置的设计，给出在项 目式教学中应用可拓创新方法进行不相容问题求解的详细步骤。

2 案例分析某输送带 E的设计要求为：工作功率为5 kW，转速为80×(1±5%)r/min，现只有-个满载转速为960 r/rain，功率为 11 kW 的电动机 F来驱动.下面用可拓创新方法为该输送带设计合理的传动装置。

2.1 形式化表示该问题的可拓模型为r供给，支配对象，A ]P：g×fJ 施动对象，电动机F J×(电动L 接受对象，输送带 EJ机 F，功能，(提供，支配对象，B))，其中：A(运动4 ，速度，(76，84)r/rain)，B(运动曰1，速度，960 r/min)。

该问题的核问题的可拓模型为P。g。×f。(运动 。，所需输入转速，(76，84)r/rain)×(运动 1，输出转速，960 r/rain)(Al，C(76，84)r/min)×(B1，Co ，960 r/min)。

以X(76，84)为正域，最优点为‰ 80，建立简单相容度函数为f ， ≤80， l 8 4-x石， ≥80， L-80则当 960 r/rain时，K(f0)k(960) -2l9，即问题Pg×f为不相容问题。

2.2 拓展不相容问题求解的途径有3种：目标不变，通过条件的变换使矛盾问题化解；条件不变，通过对目标的变换使矛盾问题化解；目标和条件同时改变，使矛盾问题化解.由于输送带设计要求不变，因此，必须利用条件的变换来解决矛盾问题.此问题的条件是- 个确定的电动机，因此，只能从外部寻找可用资源.根据可拓分析原理，物、事和关系具有可以组合、分解及扩缩的可能性.根据可组合性，-个事物可以第 1期 张晓伟，等：基于可拓创新方法的项 目式教学研究 15与其他事物结合起来生成新的事物，从而提供解决矛盾问题的可能性.该问题中电动机的输出转速远高于工作机所需输入转速，若能找到某个物元具有降速功 能，其 与条件物元 组合，使输 出转 速降低 ” ，则矛盾问题有可能解决。

根据发散分析：(电动机 F，功能 ，(提供，支配对象，B))(渐开线圆柱齿轮 P ， 功能，(传递，支配对象， ))(渐开线直齿圆锥齿轮 P2，功能，(传递，支配对象，Ⅳ2))(普通圆柱蜗杆 ， 功能，(传递，支配对象，Ⅳ3))，(普通 V带 P4， 功能，(传递，支配对象，Ⅳ4))(滚子链 ， 功能，(传递，支配对象，v5))其中：N (运动 0 ，速度，(135，960)r/min)，N2(运动 0：，速度，(120，960)r/rain)，N3(运动 0，，速度，(12，960)r/rain)，Ⅳ4(运动 0 ，速度，(96，960)r/rain)，N5(运动 0 ，速度，(120，960)r/rain)。

由以上拓展分析，可以得出原条件基元的-些可组合基元，每-个可组合基元还可以根据拓展分析原理进-步扩展，从而得到解决不相容问题的更多途径。

2.3 变换根据以上拓展分析，至少可以选择做如下 5种条件的变换：(1)T1l。m-(B o 0 ，C。 (135，96O))f ，且(135)-12.75， (960) -219，K(z )∈(-219，-12.75)，贝0 K(f )<0。

即电动机 F与最大传动比为7.1的渐开线圆柱齿轮 P 相连接后驱动执行部分。

(2) f0(B ①02，C。 (120，96o))z2，且(120)-9， (960) -219，K(Z：)∈(-219，-9)，贝0 K(z )<0。

即电动机 F与最大传动 比为 8的渐开线直齿圆锥齿轮 P 相连接后驱动执行部分。

(3) f0( o 03，c。 (12，96O))z。，且(12)-16，尼(960)： -219， (80)1，( )∈(-219，1)。

即电动机F与最大传动比为80的普通圆柱蜗杆 P 相连接后驱动执行部分。

(4) f0(日 ① 0 ，c0 (96，960))z ，且.j(96)-3， (960) -219，(z )∈(-219，-3)，贝0 K(z )<0。

即电动机F与最大传动比为 10的普通V带P 相连接后驱动执行部分。

(5) z0( ① 0 ，C。 (120，960))f ，且(120)-9，I(960) -219，K(z )∈(-219，-9)，贝0 K(z5)<0。

即电动机 F与最大传动比为 8的滚子链 P相连接后驱动执行部分。

上述5个变换 ，只有 可使 ( )I>0，即 可使不相容问题转化为相容问题.而其他4个变换都不能解决该不相容问题.但若令T T 八 ，则1fo(B1① 0 ① 02，C0f(17，960))z 1，且(17)-14.75， (960) -219， (80)m- 1，K(z )∈(-219，1)。

的含义是：同时采取增加渐开线圆柱齿轮与增加渐开线直齿圆锥齿轮这两个变换(即变换的与运算)去解决该不相容问题.同理令 T T 八 ，T 3T。八 ，T 八 ，T 5 八 ，T 7"4八，对条件基元进行变换分别得到 Z ， ，Z ，Z ，Z ，也可以解决该不相容问题.当然还有其他的组合形式，这里从略。

2.4 评价上述变换 和 形成解决不相容问题的多个不同策略，以下对各个策略进行优度评价，以选认优方案。

(1)确定衡量指标为简化计算，选取效率、易加工性、运动平稳性3个指标为评价指标.即SI ， ，.s，3，SI。(c ，V1)(效率，V1)，sI2(c：，v2)(易加工性，v2)，sI3(c。， )(运动平稳性，v3)。

效率范围为 X<0，1>；易加工性分 5个等级，最大为5，最小为 1；运动平稳性分 5个等级，最大为5，最小为 1。

待评对象物元为r z 1，c1，0.960 41z1I c2， 1 l，L C，， 3 -jrf 2，c1，0.882-] l c2， 4 l，c3' 5 jr z 3， c1， 0.931]z3l c2， 4 l，L c3， 1 Jl6 广 东 工 业 大 学 学 报 第 30卷Z [f，4 258]， I cz， ll JZ 2 1]， I c ，lL3JZ 5C 25]， I lL，JZ f，7： 3C4]. 71 c2，1J效率、易加工性、运动平稳性的关联函数分别为l( 1)k3( 3)X1 ab-ab- 1b-ak(b)0 V 1，l<1，k2( 2)X1 > 1，11，1，0.5，0，- 0.5，- 1，X35。

1，0.5，0，- 0.5，- 1，25，24，23，22，21，(5)计算规范关联度设待评对象z 关于SI 的关联度为K (z )，则。

表 1 优度评价结果Tab.1 The results of optimal degree即最优传动方案为电动机 F①齿轮传动P ①带传动P3 结语在项 目式教学中应用可拓学进行不相容矛盾问题求解的步骤.该教学模式能使学生摆脱惯性思维定式和传统的思考问题的方法，拓展了学生的思维模式，对于提高当代大学生的创新能力和创新思维，培养创新型人才是切实可行的，对其他教学领域与教学环节有供-定的参考价值