卓越工程师教学模式的研究与实践

卓越工程师教学模式的研究与实践

吴寿煜　张宇红

江南大学作为国家教育部实施“卓越工程师教育培养计划”的首批高校和教育部召开“卓越工程师教育培养计划”工作进展交流会的承办单位，对卓越工程师教学模式进行了大量的研究与实践。

TRIZ是“发明问题解决理论”的俄语缩写，这一方法由苏联发明家阿奇舒勒在1946年创立。他和他的同事分析了全世界250万个高水平的发明专利后，惊奇地发现这些专利在重复着40种工作，经过总结和研究，找出了这些专利背后所隐藏的40个发明原理，然后综合多学科领域的原理和法则，建立起了TRIZ体系。经过60多年的发展，TRIZ已经成为解决技术问题或发明问题的强有力的创新方法。

自主创新能力包括三种能力：一是原始创新能力——获得科学发现、科学理论和科学技术的能力；二是集成创新能力——各种相关技术有机融合，实现关键领域整体突破的能力；三是引进、消化、吸收、再创新能力——利用全球科技存量，形成后发优势加快发展的能力。

建构主义学习理论是瑞士心理学家皮亚杰和苏联心理学家维果茨基等学者奠定的。该理论强调以学生为中心，不仅要求学生由知识的灌输对象转变为知识的主动建构者，而且要求教师由知识的传授者转变为学生主动建构意义的帮助者。在建构主义理论中，成熟的教学方法有抛锚式教学、支架式教学和随机进入式教学等。

我们运用TRIZ和建构主义学习理论，建立了培养卓越工程师的教学模式，探索自主创新的规律，培养了具有自主创新能力的卓越工程师。

一、原始创新能力的培养

建构主义理论的抛锚式教学，是温比尔特认知与技术小组在约翰·布朗斯福特的领导下开发的以技术学为基础的教学范型。所谓“锚”，就是技术型问题的情境。抛锚式教学要求建立在有感染力的真实事件的基础上。在培养卓越工程师的教学内容中，有许多原始性创新成果及有感染力的真实事件。我们运用抛锚式教学，从源头呈现教学内容产生的真实事件，强化学生的实际应用能力，引导学生从历史角度研究科学发现的规律，运用TRIZ培养学生探索自然界规律的原始创新能力。

以“迈克耳孙干涉仪”为例，卓越工程师教学模式按五个环节进行。

1.创设情境

以音视频资料、PPT课件、网站资源和实验仪器组成立体化教学环境，让时光“倒流”，将学生引入源头——迈克耳孙干涉仪产生的真实事件。

19世纪早期，由托马斯·杨的双缝干涉实验和A.菲涅尔的泊松亮斑实验为光的波动性提供确凿实验证据，使光的波动说获得巨大成功。光的波动说被承认后，随即有一个问题深深困扰着人们：光既然是波，那究竟是什么在传播？科学家就假设光波动的物质是以太。托马斯·杨认为，以太是绝对静止的，它不仅是光波的载体，而且也是光的参照系。这就是历史上著名的“以太不动论”。既然以太绝对静止，地球运动必然招致“以太风”横扫；“以太风”穿过实验室，总应产生光学或电学的效应，因此，整个19世纪，探测地球在以太中运动的尝试层出不穷，然而，所有努力都失败了。

1880年，美国科学家迈克耳孙获准到欧洲从事光学技术的研究，他立即投入探测地球在以太中运动仪器的研究工作。在柏林大学的H.V.亥姆霍兹实验室，迈克耳孙发明了一种具有空前灵敏度的新仪器——迈克耳孙干涉仪。1907年，迈克耳孙获得诺贝尔物理奖。

苏联著名发明家贝贝托（G.Babat）把创新活动比作攀登陡峭的山峰：“你踯躅前行，找到一条羊肠小道。路到尽头，悬崖绝壁，你只好又折回。经历了无数次挫折，你终于到达了最高峰。回首俯望，你才发觉，走过的路混乱而无序。此时你突然注意到，原来有一条阳关大道就在你的身旁。如果早知道有这条路，到达顶峰就会容易得多，也快得多。”贝贝托准确描述了创新过程的本质。混乱无序的探索要付出高昂的代价，因此人们终于意识到，需要研究创新方法的科学。科学发现和自主创新是有规律的，TRIZ的矛盾矩阵表就是一种按自主创新规律开发的探索程序——就像一张地图，指明通向成功顶峰的阳光大道。下面我们运用TRIZ的矛盾矩阵表研究迈克耳孙干涉仪。

迈克耳孙干涉仪是在贾民（Jiman）干涉仪的基础上改进的。贾民干涉仪光路图（见图1）是在与一束入射光束成一定夹角的平行平板玻璃上进行分振幅得到两束光，而在厚度与第一块相等、方向平行的第二块平板玻璃处重新相遇产生干涉。贾民干涉仪的干涉条纹明亮度比较高，但是两相干光束A和B分开的间隔与平行玻璃板厚度有关，所以这一间隔通常比较小，因而限制了一些实验。根据TRIZ理论2008矛盾矩阵表（见表1），应该改善仪器系统的“适应性”，然而此举将减弱（恶化）干涉条纹的“明亮度”。“适应性”和“明亮度”的工程参数序号分别为32及23，在矩阵表中，第32行与23列交叉处所对应的矩阵元素的数字1、32、35、17、24、28、19及26为推荐的发明原理序号。

图1　贾民干涉仪光路图

表1　2008矛盾矩阵表（局部）

我们以TRIZ推荐的8个发明原理为线索，探讨迈克耳孙干涉仪的发明过程及技术进化路线。

发明原理1—分割：将物体分割成独立的部分。分割玻璃块。将图1中的第1块玻璃分割成两块较薄的玻璃，分别放置在图2中的G₁处和M1处；将图1中的第2块玻璃分割成两块较薄玻璃，分别放置在图2中的G₂处和M2处。

发明原理32—改变颜色：改变物体或环境的透明度。改变玻璃透明度。将图2中G₁处的玻璃改变为半透明玻璃，使A线和B线间隔分开，以改善仪器系统适应性。

发明原理35—改变特性：改变浓度或密度。改变玻璃中不同成分的浓度以改变其性能。在图2中，改变玻璃M1和玻璃M2部分成分浓度，将其改变成面镜；改变G₁半透明玻璃成分的浓度，使A线和B线间隔分开后更清晰，G₂玻璃成分的浓度不变，仍为透明玻璃。

图2　迈克耳孙干涉仪光路图

以上过程是迈克耳孙在柏林大学的H.V.亥姆霍兹实验室所做的改进工作，我们无法考证迈克耳孙当时的创新思路，但是能够引导学生从历史角度研究科学发现的规律，运用TRIZ培养学生的原始创新能力。

2.确定问题

在上述情境下，与学习主题密切相关的真实性事件就是“锚”，即迈克耳孙实验就是“锚”。运用多媒体呈现当时迈克耳孙实验的情形如下。

1881年4月上旬，迈克耳孙在波茨坦物理天文观测站一个赤道仪的防震井架的底部进行了第一次实验，他用的是波长为5700埃的钠光，他将两光臂都调到120cm。根据计算，如果只考虑地球的轨道运动，这个速度为30km/s，仪器转90°，应能观测到0.04个条纹的移动。可是他观测的值远远低于理论值，而且无规律。因此得出“这些结果的解释是没有干涉条纹的位移。静止以太假说的结果因此证明是不正确的。”

发明原理17—转变到新维度：把光线投射到邻近的区域，或者到物体的反面。把光线投射到邻近的区域，可以使光线通过的距离增加。1887年7月，迈克耳孙和莫雷一起改进了原有仪器，在美国克利夫兰的科斯科学院重复进行实验。他们用几面镜子使光来回反射以便通过更长的距离，使干涉臂的有效长度增至原有仪器的10倍以上，应能观测到0.4个条纹的移动。迈克耳孙和莫雷经过1887年7月8日、7月9日、9月11日和9月12日的几天紧张观测，实验得出一个零结果——以太效应未被观察到。

3.自主学习

自主学习不是由教师直接告诉学生应当如何去解决面临的问题，而是由教师向学生提供解决该问题的有关线索。根据上述实验探讨经典物理学的困惑与现代物理学的风暴。

迈克耳孙—莫雷实验表明，不论地球运动的方向同光的射向一致还是相反，测出的光速都相同，因而根本找不到“以太”。经典物理学在这个实验面前感到很困惑。科学家们处于左右为难的境地，他们或者放弃曾经说明电磁及光的许多现象的以太理论，或者放弃哥白尼的地动说。迈克耳孙实验结果和以太漂移说之矛盾使爱因斯坦发现了相对论，引领了20世纪的物理学发展。

4.协作学习

学生仿照上述实验的真实情景，按照教师提供解决该问题的有关线索，使用迈克耳孙干涉仪，强化实际应用能力。根据方程，波长λ＝2Δd/Δk移动反射镜改变两个反射镜到半镀银玻璃板的光程差Δd，每“冒出”或“缩进”Δk＝50个条纹记一次读数，共测250环，用逐差法求出Δd的平均值，求出波长λ并与标准波长比较，算出百分误差。学生通过动手操作，对不同观点进行讨论、交流，补充、修正，加深对迈克耳孙干涉仪的认识。

5.效果评价

评价教师是否从源头呈现迈克耳孙干涉仪产生的真实事件；评价教师是否强化学生的实际应用能力；评价教师是否引导学生从历史角度探求原始创新规律；评价教师是否注重运用创新方法培养学生探索自然界规律的原始创新能力。

以上运用TRIZ研究了迈克耳孙干涉仪的产生过程。只有从源头探求原始性创新的规律，培养学生的原始创新能力，才有可能产生一批国际领先的原创性成果。

二、集成创新能力的培养

建构主义理论的支架式教学来源于苏联著名心理学家维果斯基的“最邻近发展区”理论，借用建筑行业中使用的“脚手架”作为概念框架的形象化比喻。该框架按照学生智力的“最邻近发展区”来建立，因而可通过这种“脚手架”的支撑作用，把学生的智力从一个水平提升到一个新的水平。在卓越工程师的培养内容中，有许多内容是当今众多技术发展的基础，因此，这些内容和当今众多技术可以组成一个有机的整体。我们运用支架式教学，围绕教学内容联系当今科学技术，呈现新技术和新仪器产生的情景，运用TRIZ培养学生的集成创新能力。

以迈克耳孙干涉仪为例，卓越工程师教学模式分五个环节进行。

1.搭建“脚手架”

以音视频资料、PPT课件、网站资源和实验仪器组成立体化教学环境，呈现与迈克耳孙干涉仪相关的新技术和新仪器产生的真实事件。

发明原理24—中介物：使用中间物体来传递或者执行一个动作。迈克耳孙干涉仪可以测量“中介物”，例如，镀膜厚度、透明介质薄片的折射率、空气的折射率、谱线精细结构、标准米尺等。

（1）增加功能的个数测量镀膜的厚度。

直接进化理论是TRIZ理论的一个重要分支，自20世纪80年代中期到现在一直处于发展之中，1994年正式命名为直接进化理论。该理论认为，产品进化有10种模式，每种模式都有多种进化路线。

直接进化理论模式2—增加理想化水平：增加有用功能的个数。常用方法有发明新的有用功能、吸收其他系统功能或环境中的有用功能。在工业生产和科学研究中，许多器件和材料表面都要镀上一层薄膜，其厚度一般都小于10－6 m，采用物理真空镀膜是主要的手段之一。结合光学干涉原理，增加迈克耳孙干涉仪有用功能的个数，对真空蒸发镀金属膜层进行厚度测量。

（2）增加资源的含量谱线结构的研究。

直接进化理论模式3—增加资源的包含量：利用技术资源，改变使用方法，使之更合理。常用方法有资源聚集、资源浓缩、资源组合、通过物理或化学的方法使资源变形。1887年，迈克耳孙研究了用波长作实用长度标准的课题，开始了对不同元素发射谱线的结构和细锐程度的研究。他利用自己发明的干涉仪，用待查的光源照明。1892年，迈克耳孙用干涉仪巧妙地研究出谱线的精细结构，直到量子力学的发展揭示出电子自旋和核自旋的关系，谱线的精细结构和超精细结构才得到正确解释。

（3）增加系统的可控性标准米尺的测定值。

直接进化理论模式5—增加系统的动态性和可控性：通过系统的可变性和可调整性适应对其多种条件需求的要求。常用方法有引入移动部件、将整体分解为多个可移动部分、引入可控场、引入可控添加物、采用系统的自控制方法等。1893年3月，迈克耳孙在巴黎附近的国际计量局，以镉的波长测定国际米原器的长度。其方法是找出在15℃和气压为760mmHg条件下，1m距离内所包括镉红谱线的波长数N。经过复杂的测量及数据处理，迈克耳孙发现国际米原器的长度为红色镉谱线波长的1553163.5倍，该谱线的波长为6438.4722埃。这个基准一直沿用至1960年，迈克耳孙的研究工作为后来的长度标准奠定了基础。

（4）系统复杂性的简化，相干层析术的发现。

直接进化理论模式6—增加系统的复杂性使问题得到简化：通过将多个不同系统分割成部分，增加系统的复杂性，之后以一种新的方法将各部分组合，使系统得到简化。常用方法有将系统分割成具有简单形式的部件、在系统中增加具有集成功能的部件、建立分层机构、应用集成度高的子系统、使处于离散状态的子系统变得连续等。科学家在1991年将迈克耳孙干涉仪与共焦显微镜的原理应用到生物医学断层成像领域中，提出了一种新的层析成像技术——光学相干层析术。它的成像系统使用迈克耳孙用干涉仪、低相干光源、超外差电子学滤波技术和高精度、高速扫描驱动机构，使其成像质量和速度显著提高。

2.进入情境

学生进入新技术和新仪器产生的真实事件的情境之中，相当于学生开始攀登“脚手架”。概念框架是实现支架式教学的基础，新技术和新仪器是概念框架中的节点，它是帮助学生智力向上发展的教学“脚手架”。

3.独立探索

探索开始时要先由教师启发引导，帮助可以多一些；然后让学生自己去分析，探索过程中教师要适时提示，帮助学生沿概念框架逐步攀升；以后逐渐减少提示；最后要争取做到无需教师引导，学生自己能在概念框架中继续攀升。

4.协作学习

进行小组讨论。主要讨论迈克耳孙干涉仪与新技术和新仪器的内在联系，在共享集体思维成果的基础上达到对讨论内容比较全面、正确的理解，即最终完成对所学知识的意义建构。

5.效果评价

评价学生对小组协作学习所作出的贡献；评价学生是否理解迈克耳孙干涉仪与新技术和新仪器的内在联系；评价教师是否强化学生的实际应用能力；评价教师是否引导学生探求集成创新规律；评价教师是否注重运用创新方法培养学生的集成创新能力。

以上运用TRIZ研究了迈克耳孙干涉仪与当今技术的内在联系，以探求集成创新规律。利用TRIZ中的技术进化理论对世界专利库进行分析，发现并确认了技术进化模型与进化路线具有可传递性。该理论不仅能预测技术的发展，而且还能预测产品的可能结构状态，对于产品创新设计具有指导作用。在国际科技竞争中，使各种相关技术有机融合，实现关键领域的整体突破，是提高国家综合国力的重要标志。

三、引进消化吸收再创新能力的培养

建构主义学习理论的随机进入式教学，是学生通过不同方式进入复杂内容的学习，从而获得对同一问题的多方面的探索。我们运用随机进入式教学，从迈克耳孙干涉仪的研究方式进入科学难题——引力波探测，呈现科学家探索问题和使用方法的情景，运用TRIZ培养学生的引进消化吸收再创新能力。

以迈克耳孙干涉仪为例，卓越工程师教学模式分五个环节进行。

1.呈现基本情境

以音视频资料、PPT课件、网站资源和实验仪器组成立体化教学环境，呈现引力波探测的真实事件。

（1）引力波被间接观测。

探测引力波是基础科学前沿重要的科学难题，是当代最重要的科学悬案之一，探测引力波对验证广义相对论和揭示宇宙本质有重大意义。

1918年爱因斯坦撰写了一篇名为《论引力波》的论文，提出了加速的质量有引力波及引力波的传播问题。天文学家已间接验证了引力波的存在，1993年美国的泰勒和赫尔斯以他们对脉冲双星PSR1913＋16的发现和研究获得诺贝尔物理奖。这个双脉冲星系统距离地球约1.5万光年，轨道偏心率大，由于不对称性和高速的轨道运动而有强烈的引力辐射，辐射的能量损失使轨道周期变短，从1974年开始，经过十多年观测，得出轨道周期变率相当于每年变化0.7s。这与广义相对论引力辐射理论的预期十分准确地吻合。这一观测成为引力波的第一个间接观测证据。

（2）引力波干涉仪的原理。

发明原理26—复制：用光学图像代替物体（或物体系统），然后缩小或放大它。为了测量引力波，由迈克耳孙干涉仪原理复制大型激光引力波探测仪，采用卫星或激光引力波探测仪上拍摄的照片代替人在近距离的测量。20世纪90年代中期，分别在华盛顿州的汉弗和路易斯安那州的利文斯顿开始建造引波探测站，并于21世纪初相继建成臂长4000m、2000m的激光引力波探测仪共三套。目前最宏伟的引力波探测计划——LISA——是欧洲航天局和美国国家航空航天局的一个空间合作项目，该计划将于2015年前后向太空发射3个探测器，使其组成等边三角形，相邻两个探测器之间的距离为500万千米，它们将在地球后面以60°夹角一起绕太阳运行。3个探测器之间相互进行激光干涉测距，以探测引力波。

2.创设情境

从迈克耳孙干涉仪的研究方式进入科学难题——引力波探测，运用多媒体呈现引力波探测仪基本原理的情境，为随机进入教学创造条件。

发明原理19—周期作用：如果作用已经是周期性的，则改变频率。激光干涉引力波探测仪的基本原理与迈克耳孙干涉仪相同，引力波到来时，两个互相垂直的光臂受引力波作用，由于引力波的偏振性质，改变了频率，两光臂将产生不同的距离改变，并通过干涉条纹的移动反映出来。

发明原理28—代替机械系统：用电、磁或电磁场来与物体交互作用。利用光电二极管输出电信号，判定存在引力波。用激光引力波探测仪测量引力波，没有引力波时调整干涉仪臂长，使从互相垂直的两臂返回的两束相干光在分光镜处相干减弱，这时输出端的光电二极管接收的是暗纹，无输出电信号；引力波到来时，干涉条纹的移动反映出来，这时光电二极管输出电信号，物理学家可据此判定存在引力波。

3.独立探索

将科学家探测引力波采取了的五个对策作为学生选学的五个主题“随机进入学习”。在学习某一主题的过程中，学生可随意观看教师准备的资料，以便从不同侧面加深对该主题的认识与理解。

学习主题1——引力波源研究：在宇宙中寻找方位精确的已知的连续引力波源，同时研究宇宙中可能存在的产生引力波的新机制。

学习主题2——传感器研究：研究新型的传感器提高能量转换效率。

学习主题3——产生引力波研究：研究产生引力波的新机制，力图在实验室中产生强度可供探测的引力波。

学习主题4——场方程研究：为避免引力场方程线性近似可能导致方程解性质的改变、错误或丢失，科学家去寻找场方程的精确解去代替有争议的弱场近似解。

学习主题5——空间引力波探测研究：建造空间大臂长激光干涉仪。

多媒体呈现科学家探索问题和使用方法的真实事件，注意建立学生的思维模型，让学生自选学习主题，运用TRIZ矛盾矩阵表做探索。

4.协作学习

在上述独立探索的基础上，开展小组专题讨论，在讨论过程中教师可对学生布置作业，对讨论中的观点加以评判和进行个别辅导。

5.效果评价

评价学生对小组讨论所作出的贡献；评价教师是否让学生经历一次从跟踪到模仿再到创新的过程；评价教师是否强化学生的实际应用能力；评价教师是否引导学生探求引进消化吸收再创新的规律；评价教师是否注重运用创新方法培养学生引进—消化—吸收—再创新能力。

以上运用TRIZ研究了迈克耳孙干涉仪对引力波探测的贡献，以探求引进消化吸收再创新的规律，培养学生引进消化吸收再创新能力。在国际科技竞争中，利用全球科技存量，形成后发优势加快发展，是提高国家综合国力的重要标志。

四、结束语

运用TRIZ和建构主义学习理论建立的卓越工程师教学模式，使学生的实际应用能力和自主创新能力得到了明显提高，我们指导的学生分别获得2011年德国IF设计奖、2010年德国红点奖、2010年“河姆渡杯”中国小家电创新设计大赛优秀奖和2010年第二届“慈溪杯”家电工业设计大赛优秀奖。其中，德国IF设计奖、德国红点奖和美国IDEA奖并称为世界三大设计奖，被国际设计界称为“设计界的奥斯卡”。

在中国传统教学中，教师发挥主导作用的同时往往忽视了学生主体地位的体现，这是“以教师为中心”的教育思想；西方的建构主义学习理论强调以学生为中心往往忽视教师的主导作用，这是“以学生为中心”的教育思想。我们将两种教育思想和TRIZ理论结合起来，建立卓越工程师的教学模式，既充分发挥教师的主导作用，又突现学生的主体作用，还体现方法的核心作用。只有“主导—主体—方法”相结合，才能培养出具有自主创新能力的卓越工程师。

注：本文为江苏省高校哲学社科基金项目（05SJD880056）的部分成果。

参考文献：

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［4］张武城.技术创新方法概论［M］.北京：科学出版社2009：附录2.

［5］檀润华.发明问题解决理论［M］.北京：科学出版社，2004.

［6］刘战存，李艳平.迈克耳孙对干涉仪的发明与应用［J］.首都师范大学学报（自然科学版），2000（1）.

［7］郭永康，姚欣.从迈克耳孙干涉仪到光学相干层析术［J］.大学物理，2007（1）.

（作者单位：江南大学；文章来源：《高等工程教育研究》2011年第6期）