Резултати от обучението по TRIZ в MIT за пет години

RMIT University, School of Electrical and Computer Engineering GPO Box 2476, Melbourne VIC 3001, Австралия

1. Въведение

1.1. Значението на уменията за решаване на проблеми

Съществува ясна нужда от завършили студенти с добре развити умения за решаване на проблеми в много професии. Австралийската търговско-промишлена палата и Австралийският бизнес съвет изброяват решаването на проблеми като едно от осемте умения, които ще определят привлекателността на бъдещото набиране на персонал. Австралийските възпитаници на възпитаници също са класирали уменията за решаване на проблеми сред деветте основни умения за заетост, които според тях завършилият трябва да притежава в допълнение към съответните академични постижения. Уменията за решаване на проблеми са включени в списъците на завършилите черти, например, както е определено от Австралийската технологична мрежа [3]. Тази област е определена като критична за завършилите инженерство във важната работа на Американската национална инженерна академия сред квалификациите, необходими за инженерите през 21 век [4]. Австралийската агенция за акредитация на инженерство одобри компетентността да „дефинира проблем, да го формулира и реши“ като една от шестте инженерни способности. [5].

Типично инженерно предизвикателство е отворен край и поне на теория може да има много приемливи решения. Тези решения могат да използват различни принципи на работа - механични, химични, електрически и други. По този начин, за да разрешат успешно проблем, инженерите трябва да демонстрират широки познания за своята дисциплина и не само. Значението на специфичните за предмета знания и свързаните с тях когнитивни умения за ефективното им прилагане поражда много предизвикателства пред инженерните преподаватели. Те трябва да научат своите ученици да придобият широки научни, инженерни и професионални знания и да гарантират, че студентите са усвоили умения за решаване на инженерни проблеми, за да приложат своите знания на високо ниво. Въпреки че решаването на проблеми отдавна се разглежда като важно умение в инженерната професия, машиностроителната индустрия съобщава за неуспех на предизвикателството за инженерно образование, за да го преподава добре [6] и предупреждава, че промените в инженерната учебна програма отдавна са закъснели, за да осигурят на студентите желания проблем умения за решаване [7].

1.2. Преподаване на инженерни решения на проблеми: Как?

Ясно е установено, че уменията за решаване на проблеми трябва да се преподават директно [8]. За провеждането на такова обучение обикновено се използват два основни подхода: „обогатяване“ и „въвеждане“. При подхода „обогатяване” модулите за мислене се преподават успоредно с наличните специфични за раздела материали. Програмите за когнитивно ускорение и обогатяване [9, 10] са примери за този подход в неинженерни области. Курсовете по теория на изобретателното решаване на проблеми (TRIZ) [11-13] са примери за обогатяващ подход в инженерното образование. Инженерните програми рядко възприемат обогатяващ подход при преподаването на когнитивни умения. Това се дължи главно на факта, че създателите им смятат, че в учебната програма вече няма достатъчно свободно пространство, препълнено със специфични знания за конкретни предмети за специални предмети, които се фокусират само върху уменията за решаване на инженерни проблеми.

И обратно, „въвеждащите“ стратегии включват преподаване на решаване на проблеми в контекста на учебна програма, основана на дисциплина [14]. Бруер показа, че подобно въведение в учебната програма е добра стратегия за подготовка на „интелигентни начинаещи“ [15]. Шварц и Паркс, както и Тишман, Перкинс и Джей също се аргументираха за предимството на „въвеждащия” подход пред „обогатяващия” [16, 17].

Инженерните учители, обикновено с технически опит, често са в мрак относно необходимостта от техники за директно решаване на проблеми. Често се приема, че студентите ще придобият правилните когнитивни умения, просто като завършат стандартна работа в рамките на курса и последователно решават все по-"сложни" проблеми в течение на 4 години от получаване на инженерно висше образование. Това мнение се подкрепя от очакваната „преносимост“ на когнитивните умения. Тъй като инженерните умения за решаване на проблеми са подмножество на когнитивните умения, те също се считат за прехвърляеми [18]. Следователно тези умения могат да бъдат придобити другаде и изглежда няма нужда да се разработват инженерни програми, фокусирани директно върху развиването на умения за решаване на студентски проблеми. По този начин инженерните програми обикновено се изграждат върху погрешното очакване, че уменията на учениците за решаване на проблеми ще се подобрят сами, без правилно планирано „въвеждане“ на тези умения в контекста на специализираните дисциплини. За съжаление преносимостта не е коз. Все още изследователите не са сигурни колко преносими са когнитивните умения. Clanchy и Ballard, както и Geek, например, отбелязват, че въпреки че универсалните умения се придобиват в контекста на даден предмет, ефективността на прехвърлянето на умения може да се различава от студент на студент или дори да не се проявява изобщо.

Наличието на различни методи на преподаване (например традиционно обучение спрямо базирано на задачи) и несигурността относно ефективността на тези преподавателски стратегии [21, 22] допълнително усложняват ситуацията за създателите на инженерната програма. Ситуацията е допълнително объркана от наличието на нови образователни технологии и компютърни инструменти.

1.3. Преподаване на инженерни решения: Какво?

Неотдавнашно проучване на ефективността на обогатяващия подход към преподаването на решаване на проблеми показа, че TRIZ курс, преподаван в продължение на 13 семестърни седмици, подобрява уменията за решаване на проблеми на студентите по инженерство значително повече от "редовен" предмет (разбира се). Той също така демонстрира значителна промяна в самооценката на учениците относно уменията за решаване на проблеми в резултат на този 13-седмичен курс на TRIZ [13]. Подобни резултати не са изненадващи: курсът TRIZ включва инструменти за представяне на проблеми и техники за официално решаване, които определено дават на решаващия по-голяма увереност в решаването на проблема. Проучването не изследва дали има избираеми предметни курсове, които използват уводни стратегии и значително влияят върху уменията на учениците за решаване на проблеми. Той също така не отговори на въпроса дали кумулативният ефект от всички предметни курсове, които студентите преминават през четири години обучение, подобрява уменията на учениците за решаване на проблеми в по-голяма степен от курса TRIZ.

2. Източници на информация

Представените тук резултати са получени от три различни източника: (i) Изследване на резултатите от предметните курсове в RMIT, (ii) изследвания преди и след TRIZ курса, (iii) отговори на първокурсници и възпитаници на проучване, проведено от студенти от класът за решаване на проблеми.

2.1. Изследване след предмети в RMIT

RMIT Subject Based Research (IIPC) е основното средство за независимо оценяване на преподаването на предметни курсове. IIPK обикновено се провежда от университетското ръководство по време на лекции към края на семестъра (от 10-та до 12-та седмица). Това проучване използва данни от IIPC за всички инженерни курсове, провеждани в RMIT от 2006 до 2010 г. През тези пет години над 22 000 студенти изразиха мнението си за качеството на стотиците инженерни курсове, преподавани в RMIT. 93 студенти, участвали в курса на TRIZ, взеха участие в IIPK.

За период от пет години всички IIPC в RMIT съдържаха 21 изявления относно студентския опит в курса. За всяко твърдение бяха предложени пет отговора (скала на Ликерт от 1 до 5): „категорично съм съгласен“ („5“), „съгласен“ (4), „не съм сигурен“ (3) „не съм съгласен“ (2) и „абсолютно не съм съгласен „(1). Само едно изявление от IIPK се отнася до решаването на инженерни проблеми. Изявление шесто (S6) IIPC беше последователно във всички IIPC, проведени в RMIT от 2006 до 2010 г .: „Този ​​курс насърчава увереността ми в решаването на непознати проблеми.“ Въпреки че S6 не поиска изрично от учениците да оценят въздействието на курса върху техните умения за решаване на проблеми, той беше ясно фокусиран върху повишената им увереност в решаването на непознати проблеми. По този начин средната инженерна оценка за въпрос S6 се разглежда като надеждна непряка мярка за въздействието на даден курс върху способността на студента за решаване на проблеми. За да отговорят на първия въпрос от изследването, отговорите на въпрос S6 на студентите в TRIZ бяха сравнени с отговорите на всички инженерни курсове на RMIT.

2.2. TRIZ курсови изследвания

В1: Аз съм много добър в решаването на проблеми;

В6: Уверен съм, че мога да разреша всеки проблем, с който се сблъсквам.

2.3. Проучвания за дипломирани и първокурсници

3. TRIZ курс

TRIZ е руското съкращение на Теорията за изобретателното решаване на проблеми. Това е добре оформена система от инструменти за решаване на проблеми, генериране на идеи, анализ на грешки и предотвратяването им. TRIZ е изобретен в Русия преди повече от 50 години [29]. Инструментите за мислене на TRIZ се основават на развитието на продуктите и процесите, което беше открито чрез анализа на хиляди патенти. Разработен зад Желязната завеса, TRIZ се използва от руски инженери и допринася за много изобретения. TRIZ навлезе в западния свят в началото на 90-те години и вече помогна на много западни компании да постигнат забележителни подобрения. Следва кратко описание на инструментите, на които са обучавани студентите (за повече информация относно преподаваните инструменти вижте [13]).

3.1. Ситуационен анализ

Ситуационният анализ (SAT) се използва от учениците като първата умствена стъпка към подобряване на ситуацията. CA, изучаван в този курс, помоли студентите да отговорят на 11 въпроса и беше предназначен да тества предположенията на потребителя и неговото/нейното възприемане на проблема. В контекста на гореспоменатите теории за обработка на информация CA може да се разглежда като инструмент за ефективно представяне на проблема.

3.2. Метод за идеален резултат

  • да се установи посоката на развитие на системата в хода на усъвършенстването и да се намери естествен феномен, който пречи на развитието на системата;
  • идентифициране и използване на наличните ресурси с минимални допълнителни разходи.

Всички TRIZ студенти използваха СВЕТА, използвайки TRIZ4U MIR Pro-forma. В контекста на теорията за обработка на информация от човек, MIR е евристика за решаване на проблем, основан на търсене.

3.3. Систематизиран анализ на материал-поле

Анализът на полето вещество моделира всяка естествена и създадена от човека система като набор от взаимодействащи елементи - набор от вещества, взаимодействащи помежду си чрез генерираните от тях полета. Този инструмент включва както важни процеси за решаване на проблеми: представяне на проблеми и евристика за решаване на проблеми, базирана на търсене.

Студентите бяха обучени на процедурата на систематизиран анализ в реално поле, състоящ се от 5 модела за вземане на решения [31], които заменят класическите 76 стандартни решения [32]. Повечето от студентите също са използвали систематичен анализ на материалното поле, за да генерират идеи и да предсказват бъдещето.

3.4. 40 иновативни техники и таблица на противоречията

40 иновативни техники са „рецептни решения“, които са успешно приложени в хиляди патенти. За да се получат тези 40 техники, бяха анализирани над 20 000 патента [29]. Иновационните техники могат да се използват сами, но те дават по-добри резултати, когато се използват заедно с таблица на противоречията.

На практика 40-те иновативни трика представляват друга стратегия, базирана на търсенето. Таблицата на противоречията, която помага да се моделира техническата система в процеса на нейното усъвършенстване, може да се разглежда като друг инструмент за представяне на проблема. TRIZ4U CT Pro-forma се използва от учениците за точно моделиране на системи.

3.5. Седем стъпки от систематично мислене

Седемте стъпки на систематично мислене бяха използвани като основа за четирите гореизброени TRIZ инструмента [33]. Помолихме всички студенти да изпълнят практическа работа, като следваха следните стъпки:

  1. Ситуационен анализ.
  2. Идентифициране на етапите на развитие на системата.
  3. Определяне на идеалния резултат.
  4. Генериране на идеи.
  5. Предотвратяване на грешки.
  6. Корекция на суперсистемата и подсистемата, като се вземе предвид намереното решение.
  7. Мислейки за решението и процеса на решение.

Студентските екипи по проекти бяха длъжни да предоставят официални доклади за резултатите от проекта, които да отразяват всички 7 стъпки. Мислейки за резултата, процесът на решаване на проблеми, възникнали в процеса на решаване на проблеми, промени в начина на мислене беше задължителна част от доклада.

4. Резултати от обучението

4.1. Сравнение на курса TRIZ с "конвенционалния" инженерен курс

Курсът TRIZ се открояваше сред всички други инженерни курсове според проведеното изследване. Таблица 1 показва сравнение на отговорите на студенти, изучавали TRIZ (93 души) и студенти от инженерни курсове (над 22000 души) на зададените въпроси в рамките на IIPK.