为了深入贯彻落实《全民科学素质行动计划纲要（2006-2010-2020年）》和《中国科协事业发展“十二五”规划》，大力培养具有创新精神和实践能力的创新型人才，中国科学技术馆联合中国科技馆发展基金会、中国创新方法研究会、河北工业大学，共同承担“基于科技馆平台的创新方法培训研究与实践”项目。该项目将TRIZ创新方法引入科技馆行业，通过开办培训班，逐步形成基于科技馆平台的创新方法培训的师资队伍、讲义教材和培训实践基地。培训以科技馆展教人员、展品研发设计人员以及企业研发设计人员为主，侧重培训其科学思维、科学方法和使用科学工具。通过理论学习和应用实践，培养其掌握TRIZ创新理论基本概念、应用创新方法、工具等分析各种发明原理，揭示其创新规律性，使学员结合自身专业特长和工作经验，运用TRIZ创新方法解决展教活动、展品设计中所遇到的问题和困难。

笔者长期从事科技馆常设展览工程项目的实施，工作中经常遇到一些创新展品的技术问题，有些问题能够凭借个人经验或通过行业专家的指导得以解决，而有的问题却迟迟未找到解决的办法。笔者有幸参加了上述项目培训班，并利用所学发明问题解决理论（TRIZ）成功地进行了旋转直纹面展品创新研发。下面分享详细的应用过程，供科普展品设计人员参考。

2.强化政府作为社会的管理者的角色。强化政府作为社会的管理者而不是矛盾调解者的角色就是要明晰政府职能，建立有限政府。行政机关的职能是管理社会，而不是解决社会纠纷。纠纷的解决主要依靠司法机关而不是行政机关。因此在基层矛盾预防化解机制建构中要避免政府在社会矛盾中处于首当其冲的位置。

一、问题的起源

数学是研究数量、结构、变化以及空间模型等概念的一门学科，是现代科学技术的基础和工具。作为科技馆基础学科展品中不可或缺的一个种类，数学方面的展品一直深受观众的喜爱，尤其是点、线、面、体等立体几何方面的展品，因其位置关系清晰，空间立体感强烈而容易获得直观生动的形象。关于直纹面的展示，目前已经开发出了单叶双曲面、正螺旋面、马鞍面、扭面以及棱锥面等静态展品（如图1）。

  

图1 直纹面静态展品

单叶双曲面的展示形式历经了丰富的发展变化。“双曲狭缝”作为展示单叶双曲面与经过轴线的平面相交得到的双曲线性质的展品，经历了静态展示（图1a）、动态展示（图2a）、动静结合展示（图2b），直至发展到动静结合且动态部分多角度展示（图2 c），以及实心体双曲狭缝隧道展示（图2d）。

  

图2 “双曲狭缝”发展过程

圆柱面、圆锥面和单叶双曲面同属旋转直纹面，它们的形成过程本身就有内在的联系，但是到目前为止，国内外没有能够动态地综合展示旋转直纹面的展品。为了填补这一空白，帮助观众理解相关数学知识，我们要设计制作一件展品，力求通过简单明了的互动方式，动态、立体、直观地向观众演示圆柱面及单叶双曲面等典型旋转直纹面的形成原理、空间立体形象以及相互之间的关系。

二、常规方法的思路

根据旋转直纹面的定义，圆柱面和圆锥面的母线分别与轴线平行和相交，即空间位置关系是在同一平面内，而单叶双曲面的母线与轴线空间不相交，这是圆柱面、圆锥面与单叶双曲面之间的根本区别所在之处。按照“双曲狭缝”展品的结构形式，我们很容易在头脑中勾勒出“平行狭缝”和“相交狭缝”等展示圆柱面和圆锥面形成原理的展品形式。但是这样的展品会由于原理十分浅显、形式几乎雷同、现象过于简单而容易被观众忽略，没有太多的存在意义。那么换一种思路，将其集成在一件展品上，也就是在“双曲狭缝”的基础上改变直杆的空间角度，使其与轴线先平行（展示圆柱面形成原理）再相交（展示圆锥面形成原理）。但是由于立板上的双曲线槽存在干扰，这种展品无法正常运转。立板是代表经过轴线的平面，如果没有立板就无法验证旋转直纹面与经过轴线的平面之间的交线，这对于单叶双曲面而言比较重要。而如果按照圆柱面和圆锥面的轮廓也在立板上开出平行槽和相交槽的话，显然会干扰视线，影响展示效果。当然如果彻底取消立板，使得直杆旋转的速度较快，以至于能够形成视觉暂留，那么旋转直纹面的形象就很鲜明了。

按照上述思路，我们进行试验，将直杆与垂直于轴线的短杆之间的连接处设计成可以活动的结构，从而可以调整直杆与轴之间的空间关系，可以是空间不相交、平行或相交，并且在轴的下端安装了电机，以带动轴旋转，通过变频器来控制电机旋转的速度。经过试验发现存在如下问题：由于只有一侧有直杆，不满足动平衡条件，旋转起来以后有明显的跳动；快速旋转的直杆对周围的人员存在安全隐患；改变立杆角度的机构调节需要电机完全静止后进行，不方便。

针对以上问题，我们又试验了增加对称的直杆，增加防护罩，并且尝试在直杆连接处设置电动调节角度机构（一则隔着防护罩无法手动调节，二则电动调节可以在旋转过程中进行），结果又出现如下问题：作为平衡的直杆很难做到位置完全对称，旋转起来出现另外的轨迹，形成重影；电动调节机构比较复杂，重量不轻，离心现象明显。

中介物（32）可以是改变物体或环境的颜色，改变一个物体的透明度或改变某一过程的可视性，采用有颜色的添加物，使不易被观察到的物体或过程被观察到，如果已增加了颜色添加物，则采用发光的轨迹。对于本问题而言，采用发光的轨迹无疑将大大提升可视性。

将上述通用参数代入经典TRIZ理论体系冲突矩阵中，得到发明原理解的提示（见表2）。

三、基于TRIZ理论的分析

由于还不能确定上述存在的问题中哪个更关键，所以本着广泛探索的原则，对照通用工程参数表（见表1），选择改进的参数和恶化的参数。

根据TRIZ理论体系结构，该问题的分析工具采用矛盾分析方法更为有效。根据TRIZ理论中的冲突分类，上述试验过程是一个作用同时导致有用及有害两种结果，属于典型的技术冲突。按照冲突矩阵的解决理论，首先进行技术冲突的通用化。

上述问题的存在，需要我们设计出一种展示装置，能够直观地综合展示旋转直纹面（包含圆锥面、圆柱面和单叶双曲面）的形成原理，并且可以由观众自行操作互动。但是从目前所进行的尝试性试验的结果来看，解决该问题的关键步骤尚未明晰。按照TRIZ理论的问题分类方法，该问题符合“问题的解至少有一个关键步骤未知、解的目标不清楚或含有相互矛盾的需求”的范围，属于发明问题。

 

表1 通用工程参数表

  

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改进的参数为：No．35，适用性与多用性；No．39，生产率；No．9，速度；No．19，运动物体的能量。

恶化的参数为：No．27，可靠性；No．13，结构的稳定性；No．33，可操作性。

1988年，中国正式成为联合国维和行动特别委员会成员国。1989年，中国首次派出20名观察员前往纳米比亚监督大选；1990年，第一次向联合国停战监督组织派遣5名军事观察员，标志着中国正式开始官方参与联合国维和行动；1992年，中国正式组建第一支“蓝盔部队”前往柬埔寨执行维和任务，在当地的政治和经济发展上都发挥了重要作用。

至此，按照常规方法未能找到解决问题的途径。

 

表2 冲突矩阵发明原理解的提示

  

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下面我们逐项分析上述四条发明原理对于本问题的理想解的提示：

 

表3 TRIZ理论的40条发明原理

  

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对应40条发明原理（见表3），得到25条发明原理。结合本问题的实际，经过反复的考虑，摈弃了一些基本无提示意义或者提示意义不合理或者不明显的发明原理，最终选择了具有明显提示意义的四条发明原理，分别为：35、28、8 和 32。

参数变化（35）可以是改变物体的物理状态（气态、液态和固态），也可以是改变物体的浓度或粘度，亦或是物体的柔性、温度和压力等。对于本问题所要研究的展品而言，关键的子系统是旋转的直杆，它本身是固体状态，将其改变为气态是一种值得研究的方向。

有效的职业生涯管理将个人的发展路线进行了“私人定制”，也实现了组织对个人发展支持的承诺，使得组织和员工之间建立起相互依赖的关系，对于组织而言也就获得更高程度的员工信任和更高程度的员工投入保障。

截至2016年底，中国65岁及以上老年人口150031万人，占总人口的10.8%，65岁及以上老年人口所占比例连续21年增长（见图1）。然而目前中国各类养老床位672.7万张，每千名老人拥有床位30张，存在巨大缺口（见图2）。中国的老龄人口约占世界老龄人口总量的1/5，是世界老龄人口最多、增长速度最快的国家。妥善解决老龄人口的健康护理问题是社会各界关注的重点。由此可见，如何应对日趋严重的老龄化问题，并解决由老龄化社会带来的养老问题是当务之急。从中国目前的家庭发展趋势及养老服务业发展趋势来看，医养结合是必然趋势。

机械系统的替代（28）可以用视觉、听觉、嗅觉系统代替部分机械系统，可以用电场、磁场及电磁场完成物体的相互作用，也可以将固定场变为移动场，将静态场变为动态场、随机场变为确定场，还可以将磁铁粒子用于场的作用之中。那么将本问题中的旋转直杆的机械系统用视觉系统来代替应该是可行的，因为本问题最终所要实现的目的就是一种视觉效果。

重量补偿（8）是可以用另一个能产生提升力的物体补偿第一个物体的重量，也可以通过与环境相互作用产生空气动力或液体动力的方法补偿第一个物体的重量。该问题的前期研究中已经考虑到了在对称方向上增加一个直杆进行重量补偿，但是效果不好，那么如果采用逆向思维，解决动不平衡，将自身的重量削减到很小，也是一种重量补偿。

2）对A平台粗过滤器反洗排海阀进行开关测试，发现执行机构开关正常，但是粗过滤器压力基本无变化，怀疑排海阀执行机构与阀门之间的键槽脱开，退出粗过滤器后对阀门进行维修，维修完成后恢复粗过滤器系统。对粗过滤器出口水质进行V30化验分析。化验数据基本无变化（表5），排除此阀门对注水水质影响。

四、问题的解决

通过上面的分析，该问题的解决办法已逐渐明晰，就是取消旋转直杆，采用激光头发射出的激光线束来代替直杆，为了保持动平衡而又不出现重影，可以在对称位置上设置相同的激光头（并不通电点亮）。为了表示母线与轴的角度关系，可以用重量相对电动机较轻的舵机带动激光头以改变其射出的光线与轴之间的角度，这样就会有连续的视觉变化效果。至此，该问题的设计方案得到了圆满的解决。

朝阳区食品药品监管局的一个重要特点就是关键时刻冲得上去。3年来，确保了76项重大保障任务的“零事故”，多次得到各级领导的高度肯定。2015年8～9月期间，第十五届国际田径锦标赛和纪念中国人民抗日战争暨国际反法西斯战争胜利70周年活动先后在北京举行。朝阳区食品药品监管局面临“两项重大活动”的食品药品安全保障任务，构建了“一部、五组、六片区”的食品药品安全保障体系，先后完成了近万件食品药品的快速检验任务和厨房、餐具、食材检测任务，保障了田径世锦赛30余万人次的用餐安全，为我国赢得了荣誉。

现有的展品“双曲狭缝”中绕轴旋转的空间直杆与垂直于轴线的短杆之间连为一体，是刚性体；当将其连接处变为空间直杆可垂直于短杆的平面内转动的单自由度的铰链，其可以展示圆柱面的形成原理；而进一步将此处改变为空间直杆既可以垂直于短杆的平面内转动，又可以在与短杆构成的平面内转动的多铰链系统，就可以展示圆锥面的形成原理了；目前的创新设计将空间直杆彻底的柔性化处理，变为一束激光，能够全面展示旋转直纹面的特征。就此而言，该创新思路完全符合技术进化定律。

该创新设计还利用了两种科学效应：代替空间直杆的一束激光要能够形成旋转直纹面，就是靠快速旋转所造成的轨迹可见，这就是视觉暂留效应的应用；为了能够让激光光线清晰可见，利用烟雾发生器或雾化器向展品空间内的空气中注入烟或雾，烟雾粒子使得光线反射可见，这充分利用了丁达尔效应。效应是发明问题解决理论中一种基于知识的工具，将物理学、化学等科学原理与其工程应用有机结合在一起，从本质上解释了功能实现的科学依据，有利于高级别创新解的产生[1]。

短篇的环境渲染，相较于长篇，会更加精简，只保留最重要的部分，情节密度也更高，悬念和伏笔也就更加凸出。这对于喜欢解谜、喜欢探寻真相的读者来说，显然更为讨喜。

我们按照上述解决办法创新设计了旋转直纹面展品，并成功申请了国家发明专利，制作的展品实物在中国（芜湖）科普产品博览交易会上获得了优秀科普产品金奖。

综上所述，TRIZ对于解决展品创新研发过程中遇到的技术冲突问题是行之有效的。TRIZ的一些实用分析工具，为工作中实际问题的解决开拓出了一种新的思路，并且每种创新工具都有其应用特点，适用技巧和适合的问题类型[2]。我们在实际工作中根据问题的特点选择相应的TRIZ分析工具，如功能分析和物质-场分析等，也都得到了理想的解决方案。由此笔者认为，TRIZ非常适用于展品创新研发，是不可多得的好工具，值得在科普展教与研发从业者中推广。

【参考文献】

[1]创新方法研究会．中国21世纪议程管理中心．创新方法教程（高级）[M]．北京：高等教育出版社，2012

[2]李璇，李春，仝文浩，李瑞敏．TRIZ在科普展品设计中的应用[J]．

安徽科技，2016（3）：53-56