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

　　關(guān)鍵詞: 大學物理; 演示儀器制作; TRIZ 理論

　　物理學是從實驗中提取規(guī)律的學科，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)的實施，都離不開 物理作為基礎(chǔ)的作用。在學習物理知識時，若能直接觀察現(xiàn)實 模擬，有助于學生加深對知識的理解，體會其中蘊含的物理學 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 理論指導演示實驗儀器的創(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：《大學物理》我國物理類核心雜志 是中國物理學會主辦的、以高校物理教學研究為主要內(nèi)容的學術(shù)性刊物，是中國科技論文統(tǒng)計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，為了加強學習效果，有的院校構(gòu)建立體式 學習環(huán)境，建立了演示實驗中心( 以北京交通大學為例) 、演示 走廊( 以北京航空航天大學為例) [1]，還有學校調(diào)整教室結(jié)構(gòu)， 方便演示儀器進入課堂( 以清華大學為例) 。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 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，儀器的制作和改進沒有方法論 上的依據(jù)，研發(fā)行為較隨機，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 50 年代起，阿奇舒勒帶領(lǐng) TRIZ 理論研究團隊通過 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]。運用該理論，能準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)造行為更加科學化，而不是 隨機行為。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)改進技術(shù)，減少研發(fā)經(jīng)費，縮短研發(fā)時間，從而獲 得了重大的經(jīng)濟效益和社會效益。TRIZ 理論通過對問題情境 進行系統(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，在社會學、建筑、生物學、醫(yī)療、商業(yè)、工業(yè)、教育等 領(lǐng)域都有指導作用。

　　3 利用 TRIZ 理論解決問題實例

　　3.1 基于拆出原則改進茹可夫斯基凳

　　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)動的質(zhì)點系角動量守恒 定律，當軸力矩 Mz = dLz dt = d J ( ) zω dt = 0 時，軸角動量 Lz = Jzω 是常 量，角動量守恒。其中 Jz 為軸轉(zhuǎn)動慣量，ω 為剛體繞軸轉(zhuǎn)動角 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)，身體由于角動量守恒，會向左旋 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，實驗者坐于其上，手 持水平輪子的軸承，可近似認為重力軸上力矩為零，軸角動量 守恒。當輪子向右轉(zhuǎn)，實驗者身體向左轉(zhuǎn)。

　　此儀器的缺點一是 較大較重，不好攜帶，二是實驗者坐的姿勢、位置若偏離中央 軸，實驗現(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，解決了問題一。實驗者使用時 直立站立其上，身體不會偏離中央軸，解決了問題二。

　　3.2 基于組合原則和多功能原則研發(fā)干涉衍射實驗儀

　　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。多功能原則指一個物體執(zhí)行多種不同功能[2]。在光學中， 楊氏雙縫干涉、單縫衍射和圓孔衍射是要學習的基本規(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 三種光路的相同點和不同點。相同點: 雙縫干涉和單縫衍射光 透過孔徑形狀為細縫; 單縫衍射和圓孔衍射都是光通過單一孔 徑。

　　不同點: 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，同時打開紅光和綠光，使用完 全分離雙縫卡牌，會使一條縫出射紅光，另一條縫出射綠光，不 會形成雙縫干涉圖樣，方便學生理解。

　　4 總結(jié)

　　在 TRIZ 理論指導下研發(fā)新的演示儀器或改進已有的演示 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。 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，還需要進一步努力。

　　參考文獻:

　　[1]李英姿，陳強，等.關(guān)于物理演示走廊的一些思考和實 踐[J].大學物理，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: 機械工業(yè)出版社，2006.

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

　　作者：于 娜 王林杰 劉雪華