摘 要: 以往的演示儀器的制作和改進(jìn)沒有方法論上的依據(jù)，研發(fā)行為較為隨機(jī)，儀器功能單一，研發(fā)效率不高。引入 TRIZ 理論后，可對改進(jìn)、研發(fā)演示儀器的行為進(jìn)行指導(dǎo)，幫助快速指出矛盾，縮短時(shí)間。

　　關(guān)鍵詞: 大學(xué)物理; 演示儀器制作; TRIZ 理論

　　物理學(xué)是從實(shí)驗(yàn)中提取規(guī)律的學(xué)科，對今天和未來的科技 發(fā)展都有緊密的聯(lián)系和影響。從我國航天事業(yè)的發(fā)展，到量子 芯片的研發(fā); 從北斗系統(tǒng)的建立，到微創(chuàng)手術(shù)的實(shí)施，都離不開 物理作為基礎(chǔ)的作用。在學(xué)習(xí)物理知識時(shí)，若能直接觀察現(xiàn)實(shí) 模擬，有助于學(xué)生加深對知識的理解，體會(huì)其中蘊(yùn)含的物理學(xué) 方法。制造能簡潔的展示物理規(guī)律的演示儀器就很有必要。 由阿奇舒勒創(chuàng)立的 TRIZ 理論，是發(fā)明問題的解決理論，也 可叫做創(chuàng)新理論[3]。利用 TRIZ 理論指導(dǎo)演示實(shí)驗(yàn)儀器的創(chuàng)新 制作，能有效的提升知識轉(zhuǎn)化可視現(xiàn)象的效率。

　　物理老師評職論文投稿刊物：《大學(xué)物理》我國物理類核心雜志 是中國物理學(xué)會(huì)主辦的、以高校物理教學(xué)研究為主要內(nèi)容的學(xué)術(shù)性刊物，是中國科技論文統(tǒng)計(jì)源期刊及我國物理類核心期刊。

　　1 目前物理知識轉(zhuǎn)化演示儀器遇到的困難

　　從調(diào)研中可知，為了加強(qiáng)學(xué)習(xí)效果，有的院校構(gòu)建立體式 學(xué)習(xí)環(huán)境，建立了演示實(shí)驗(yàn)中心( 以北京交通大學(xué)為例) 、演示 走廊( 以北京航空航天大學(xué)為例) [1]，還有學(xué)校調(diào)整教室結(jié)構(gòu)， 方便演示儀器進(jìn)入課堂( 以清華大學(xué)為例) 。可以看出，院校對 于物理基礎(chǔ)課的重視和為了提高學(xué)生對知識的接受度作出的 努力。

　　把理論知識通過演示儀器表現(xiàn)出來，成了教師們的熱點(diǎn) 問題。以往的演示儀器制作一般只考慮物理原理如何展現(xiàn)，一 臺演示儀器針對一種物理規(guī)律，儀器的制作和改進(jìn)沒有方法論 上的依據(jù)，研發(fā)行為較隨機(jī)，儀器功能單一，研發(fā)效率不高[3]。

　　2 TRIZ 理論能解決的問題和創(chuàng)新原理

　　20 世紀(jì) 50 年代起，阿奇舒勒帶領(lǐng) TRIZ 理論研究團(tuán)隊(duì)通過 分析近 250 萬份高水平發(fā)明專利，提出了發(fā)明創(chuàng)造的原理及規(guī) 律[2]。運(yùn)用該理論，能準(zhǔn)確確定問題探索方向，突破思維障礙， 以新的視角分析問題，能使發(fā)明創(chuàng)造行為更加科學(xué)化，而不是 隨機(jī)行為。TRIZ 理論在全世界廣泛應(yīng)用，創(chuàng)造出大量重大發(fā) 明，幫助企業(yè)改進(jìn)技術(shù)，減少研發(fā)經(jīng)費(fèi)，縮短研發(fā)時(shí)間，從而獲 得了重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。TRIZ 理論通過對問題情境 進(jìn)行系統(tǒng)分析，快速發(fā)現(xiàn)問題本質(zhì)，對創(chuàng)新性問題提供更合理 的解決方案和解決辦法。TRIZ 理論的基本措施目前總結(jié)為 40 條創(chuàng)新原理，在社會(huì)學(xué)、建筑、生物學(xué)、醫(yī)療、商業(yè)、工業(yè)、教育等 領(lǐng)域都有指導(dǎo)作用。

　　3 利用 TRIZ 理論解決問題實(shí)例

　　3.1 基于拆出原則改進(jìn)茹可夫斯基凳

　　拆出原則是指從物體中拆出“干擾”部分或相反，分出唯一 需要的部分[2]。剛體的定軸( z 軸) 轉(zhuǎn)動(dòng)的質(zhì)點(diǎn)系角動(dòng)量守恒 定律，當(dāng)軸力矩 Mz = dLz dt = d J ( ) zω dt = 0 時(shí)，軸角動(dòng)量 Lz = Jzω 是常 量，角動(dòng)量守恒。其中 Jz 為軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，ω 為剛體繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)角 速度。此規(guī)律在生活中較為常見，例如宇航員在失重狀態(tài)下懸 空，以自身為軸的力矩為零，對軸角動(dòng)量守恒。若宇航員要向 左轉(zhuǎn)，需要用一只腳向右旋轉(zhuǎn)，身體由于角動(dòng)量守恒，會(huì)向左旋 轉(zhuǎn)。演示此規(guī)律的常規(guī)演示儀器是茹可夫斯基凳，一張可繞中 央軸左右隨意旋轉(zhuǎn)的摩擦力很小的椅子，實(shí)驗(yàn)者坐于其上，手 持水平輪子的軸承，可近似認(rèn)為重力軸上力矩為零，軸角動(dòng)量 守恒。當(dāng)輪子向右轉(zhuǎn)，實(shí)驗(yàn)者身體向左轉(zhuǎn)。

　　此儀器的缺點(diǎn)一是 較大較重，不好攜帶，二是實(shí)驗(yàn)者坐的姿勢、位置若偏離中央 軸，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不明顯。根據(jù) TRIZ 理論分析了茹科夫斯基凳的“有效”部分為摩擦力很小的旋轉(zhuǎn)部分，將其拆分出來，去掉椅 子。所以制作一個(gè)輕質(zhì)材料的可容納兩腳大小的兩層圓站臺， 兩層材料之間用軌道滾珠相連。轉(zhuǎn)臺中央軸做中空，將手持輪 子的軸承卡于其內(nèi)，方便移動(dòng)，解決了問題一。實(shí)驗(yàn)者使用時(shí) 直立站立其上，身體不會(huì)偏離中央軸，解決了問題二。

　　3.2 基于組合原則和多功能原則研發(fā)干涉衍射實(shí)驗(yàn)儀

　　組合原則指把相同的物體或類似操作的物體組合結(jié)合起 來。多功能原則指一個(gè)物體執(zhí)行多種不同功能[2]。在光學(xué)中， 楊氏雙縫干涉、單縫衍射和圓孔衍射是要學(xué)習(xí)的基本規(guī)律。通 過演示現(xiàn)象可以觀察不同入射波長對同一孔徑的現(xiàn)象，雙縫干 涉中雙縫距離變化對干涉花樣的影響等一系列規(guī)律。分析這 三種光路的相同點(diǎn)和不同點(diǎn)。相同點(diǎn): 雙縫干涉和單縫衍射光 透過孔徑形狀為細(xì)縫; 單縫衍射和圓孔衍射都是光通過單一孔 徑。

　　不同點(diǎn): 雙縫干涉需要把光分成兩束再相遇干涉; 單縫衍 射和圓孔衍射，光穿過的孔徑形狀不同。基于以上分析，利用 組合原則，把功能具有相同點(diǎn)的可結(jié)合部分結(jié)合。干涉衍射儀 基本組成部分如下圖，孔徑卡牌設(shè)有單縫，單孔，寬距雙縫，窄 距雙縫和從光源起始光線完全分離雙縫等多種類型。這臺儀 器經(jīng)過卡牌組合可以顯示雙縫干涉、單縫衍射和圓孔衍射。儀 器可以演示相同入射波長雙縫干涉受縫間距影響的干涉圖樣 變化。基于多功能原則，激光光源設(shè)置雙色光源，內(nèi)置紅色激 光和綠色激光。儀器可以演示不同入射波長對干涉圖樣、衍射 圖樣的影響。在講解相干光時(shí)，同時(shí)打開紅光和綠光，使用完 全分離雙縫卡牌，會(huì)使一條縫出射紅光，另一條縫出射綠光，不 會(huì)形成雙縫干涉圖樣，方便學(xué)生理解。

　　4 總結(jié)

　　在 TRIZ 理論指導(dǎo)下研發(fā)新的演示儀器或改進(jìn)已有的演示 儀器，有了方法論上的支持，可以提高研發(fā)的效率，節(jié)約經(jīng)費(fèi)。 物理知識涵蓋范圍廣泛，有的演示儀器即使用 TRIZ 理論其技 術(shù)矛盾也不能解決，還需要進(jìn)一步努力。

　　參考文獻(xiàn):

　　[1]李英姿，陳強(qiáng)，等.關(guān)于物理演示走廊的一些思考和實(shí) 踐[J].大學(xué)物理，2001( 04) : 25-26.

　　[2]楊清亮.發(fā)明是這樣誕生的: TRIZ 理論全接觸[M].北 京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

　　[3]楊林君，陳建勇.遙控式角動(dòng)量守恒演示儀[J].新校園 ( 上旬) ，2015( 07) : 44.

　　作者：于 娜 王林杰 劉雪華