基于TRIZ理论的高中生创新设计素养培养策略

阮武林

摘要：针对高中生创新设计素养现状，基于TRIZ理论，提出螺旋上升策略以推进学科各模块创新设计教学；提出技术进化策略以组织技术单元之间内容的衔接；提出连续性情境策略引领单元项目教学。

关键词：TRIZ；创新设计；技术设计；高中生

1. 高中生创新设计素养背景与现状

创新设计是普通高中通用技术学科核心素养之一，是指基于技术问题进行创新性方案构思的一系列问题解决过程^[1]，既是对上海二期课改劳动技术课程目标“会动手、能设计、爱劳动”、提升学生技术素养的继承，也是国家未来创新型人才需求下的学科育人新要求。创新设计是联系技术意识、工程思维和图样表达、物化能力的桥梁，是落实学科核心素养整体育人的重要组成部分。但受传统技能操作学习观念影响，一线学科教师对培养学生技术设计素养缺乏系统性的思考，对新课程标准背景下创新设计素养教学更是缺乏理论认识，问卷、访谈表明，目前高中生对什么是创新？技术设计过程的核心是什么？如何通过技术设计体现创新？如何表达自己的创新设计方案等仍存在困惑。

二、TRIZ理论对高中生创新设计素养培养的启示

前苏联G.S.Altshuller（阿奇舒勒）为首的专家对数百万件的专利进行总结，提出了解决创新创造问题的TRIZ理论，该理论中聚焦在技术创新发明，并根据发明专利的知识含量、技术水平、应用范围、重要性和对人类的贡献大小等将创新发明分为5个等级，以下表格为TRIZ理论的简要描述。

等级	主要特征	举例
第1级	参数优化类的小型发明	1.更好地保温，将塑钢窗加厚 2.为节约运输成本，重型卡车替代轻型卡车。
第2级	解决一个技术矛盾对已有系统进行少量改进	1.斧头的空心手柄 2.焊接装置上增加的一个灭火器
第3级	对已有系统的根本性进行改进	汽车上用自动传动系统代替机械传动系统 计算机使用鼠标
第4级	采用全新的原理完成对已有系统基本功能的创新	1.第一台内燃机的出现 2.集成电路的发明
第5级	罕见的科学原理导致一种新系统的发明、发现	形状记忆合金 激光、灯泡

阿奇舒勒创新发明5个等级的划分对教学有很好的启示：

第一：创新设计素养培养应根据学生已有知识水平进行，高中生的主要学习任务是掌握基础知识与技能，提高实践能力和创新精神，高中生的创新设计不同于科学家、工程师的创新设计，应该侧重在实际问题解决的过程中，理解创新设计的过程，掌握创新设计的思想方法。

第二：高中生创新设计素养培养应定位在合理的等级上，阿奇舒勒认为第1级发明，不算是创新，而第5级发明的成功之路和被社会接受的道路是艰难和漫长，因而不建议一个人在旧的系统还没有完全失去发展希望时就选择一个完全新的技术系统。新课程标准根据技术问题的复杂度、解决问题的技术方法和应用知识水平等角度，将创新设计素养划分为5个水平。因而这5个水平也应主要聚焦在TRIZ理论中的2、3、4等级上。

第三：TRIZ理论确定的5个创新发明水平，为教师评价学生创新设计水平提供了科学依据，传统技术教学往往侧重多功能的实现，然而TRIZ理论却认为多功能组合的作品可能只是停留在水平1等级，甚至谈不上是创新，相比等级2和等级3的创新发明，传统教学却重视不够，一方面是技术内隐性特点不容易被人们所认识，另一方面和狭隘的技术工具观有直接关系，学生作为国家未来社会主义建设的接班人和建设者，应该在高中阶段树立正确的技术创新价值观，不能将一些所谓“高大上”的作品等同于真正的技术创新。

第四：TRIZ理论为学科核心素养的整体育人提供内在线索，等级2、3、4的创新发明注重技术矛盾的折中处理，而折中处理往往以工程思维为前提，工程思维是一种以系统分析和比较权衡为核心的筹划下思维，系统分析和比较权衡的目的是构建创新性构思方案，而系统分析和比较权衡必然涉及技术设计相关的安全与责任意识、生态文明与环保意识、技术伦理与道德意识关系。

3. 高中生创新设计素养培养策略

高中生创新设计素养培养，需要经历一系列技术课程模块内容的学习累积逐步形成，《普通高中通用技术课程标准（2017年版2020年修订）》将高中生技术课程划分为《技术与设计1》、《技术与设计2》2个必修模块，和技术与生活系列、技术与工程系列、技术与职业系列和技术与创造系列11个选择性必修模块，共13个课程模块。不同课程模块都有各自创新设计要求。课程模块、单元与单元之间的衔接、单元内项目教学等对学生创新设计素养都有重要影响，根据不同阶段的任务选择相应的策略，直接影响创新设计素养培养的水平。

1.螺旋上升策略推进课程各模块创新设计教学

无论是新课程标准对创新设计素养水平的划分，还是TRIZ理论对创新发明的等级划分，或是学生认知发展规律，螺旋上升策略推进高中生创新设计素养都应该成为首要的策略，如果将新课程标准中学业质量对创新设计素养要求作为目的地的话，那么学生创新设计素养的现状和困惑则是起点，分析整个高中通用技术课程结构，建议沿着“理解创新设计过程”、“领悟技术创新设计方法”和“应用技术设计方法创新性解决技术问题”3个层面、螺旋推进学科各模块创新设计教学。

（1）理解技术创新设计过程：对高一学生创新设计问卷显示，他们对创新设计的认识大都停留在TRIZ理论的第一个层面，即关注功能层面创新，奥苏贝尔认为，先行组织者有利于知识同化，创新设计观念相等于先行组织者，引导整个高中阶段创新设计素养形成，因而在学生刚接触高一通用技术内容时，就应该 为学生树立正确的创新设计观念，让学生对创新的层次和设计的一般过程有总体上的认识，例如在《技术与设计1》必修模块中“技术设计过程”单元中，从历史的角度，增加电话、内燃机、汽车、集成电路、电机等人类技术发明典型案例，让学生在分析、讨论中理解创新内涵，彻底揭秘“创新”的奥秘。

（2）领悟技术创新设计方法：技术是从人类需求出发，秉持一定的价值理念，运用各种物质及装置、工艺方法、知识技能与经验等，实现一定使用价值的创造性实践活动^[2]。技术是技术目的与技术手段的统一，技术目的实现人的需求，技术手段是技术目的实现过程和方法的总和，《技术与设计2》模块分“结构与设计”、“流程及其设计”、“系统及其设计”和“控制及其设计”四个单元，这四个模块正是基于实现技术目的角度，从技术手段角度有序编排， “结构与设计”是从技术系统硬件组成结构开展设计，“流程及设计”是从时间角度开展工艺加工设计，“功能及其设计”是从技术系统和环境的关系开展设计，“控制及设计”是对关系和过程的调节。单元教学应抓住教材内在的技术思想逻辑，提炼出各单元技术设计学习重点内容，开展创新设计素养培养教学，例如在“流程及其设计”中既要强调规范流程在标准性、安全性、效率性等方面的重要性，更要引导学生理解流程形成的内在道理，理解前人流程及其设计的思想。

（3）应用技术设计方法创新性解决技术问题

《技术与设计1》和《技术与设计2》必修模块技术设计学习重在“学”，而选择性必修模块中的技术设计重在“用”，选择性必修模块4个系列11个模块的划分，可以看出选择性必修模块重在联系实际，聚焦技术领域专题开展技术设计教学，例如《智能家居应用设计》模块，结合物联网通讯技术和人们对幸福生活的追求，侧重家居系统设计；《电子控制技术》模块以电子技术为手段，侧重电子控制方式在生活、生产中的设计应用；《机器人设计与制作》模块，侧重机器人的功能，从结构、智能控制开展设计。必修性选择模块的“创新设计”素养培养重在引导学生发现技术领域中的问题，并连续已学结构、流程、系统和控制知识，创新性构思方案解决实际问题，创新性是解决问题水平的关键，也是衡量学生创新设计水平的关键，教学应引导学生多角度构思方案，并联系技术目的和技术手段两方面权衡、选择、优化技术设计方案，追求方案的创新性。

2.技术进化策略组织单元之间技术设计内容

TRIZ理论提出了技术进化原则，认为技术系统在结构上有进化的趋势，技术系统的性能参数随着时间变化出现进化规律^[3],例如潜水艇系统的进化，从一只防水的桶，进化到像自行车脚蹬似得驱动船体且配有罗盘、深度尺等的大木桶，再进化到核动力潜艇，进化到集下沉、潜行、上浮并发射鱼雷的潜艇，该理论中的技术进化规律TRIZ中的技术进化规律反映出人类认知与需求的关系，即新的需求、系统的完善需要促进人类发现知识、运用知识创造发明。技术进化的规律本质上是人类思想的进化，而思想的教育往往更能撼动学生心灵，以技术系统的进化规则组织单元之间的技术教学，能很好的兼顾学科技术内容逻辑和学生认知逻辑。例如在《技术设计2》中，以“可折叠式自动控制阳台晾衣架的设计”、定时投球控制装置、光感窗帘装置等实施大概念引导下的大项目教学，可沿着机械结构设计—电子自动控制设计路径开展教学，还可进一步联系物联网向智能控制方式发展。

3.连续性情境策略引领单元项目教学

本轮“双新”课程倡导核心素养理念引领下的多样化学习方式，注重创设与学生已有经验相联系的多样化学习情境，学科主要以项目为载体实施单元教学，体现学科实践性特点，能较好的培养学生动手实践能力，但由于传统项目教学忽视技术实践前的设计环节，甚至部分学生误以为动手制作一件作品就是技术学习的全部，实际上设计和技术操作一样是技术学科主要的学习方式，即使在单元教学中，教师创设真实情境引入项目学习，但情境更多只是“昙花一现”，未来将情境引领整个单元教学，也难以看到情境和问题的解决的内在联系。另一方面真实问题情境具有复杂性和劣构性，这是培养学生创新设计的关键障碍，需要教学“化繁为简”，将复杂问题情境变成 “良构”问题情境，拉尔夫.泰勒在《课程与教学的基本原理》一书中提出“连续性”标准组织课程学习经验，并指出连续性标准有助于将学习向深度和广度发展

^[4]，因为连续性是一种基于学生认知规律循序渐进的内容组织策略，而技术作品的功能、结构、控制也有内在的逻辑，内在的逻辑起源于与技术目的，技术目的来源人的需求，而人的需求和真实情境密切相关，可见可连续性标准同样适合情境组织，以连续性情境策略引领单元项目教学要突出以情境变化，突出技术系统的升级（功能、结构、控制的升级），例如在光电循迹小车项目教学中，以小车运货路径情境、暂停发货情境、路人避障情境、语音提示情境、效率情境等形成连续性教学情境，引导学生从开环控制及其设计，过渡到闭环控制及其设计，在过渡到闭环控制的稳定性、精确性和快速性三个层面，层层递进，体会真实问题解决中系统功能控制和系统效率控制的方法，真正从内心感悟控制及其设计的价值和思想方法。

四、参考文献：

[1][2]中华人民共和国教育部.普通高中通用技术课程标准(2017年版2020年修订)[M].北京：人民教育出版社.

[3]赵新军,孔详伟.TRIZ创新方法及其应用案例分析[M].北京：化学工业出版社，2020：88-90.

[4]拉尔夫.泰勒著,罗康，张阅译.课程与教学的基本原理[M].北京：中国轻工业出版社,2020:89.