《科技创新与品牌》杂志社创新方法

TRIZ理论网络教学平台的设计开发

  为实现我国远程教学“实施现代远程教育工程形成开放式教育网络,构建终身学习体系,充分利用和优化我国教育资源,普及与提高全民素质,降低教育成本,让全民享有充分受教育权利”的总体目标,同时使技术创新理论(TRIZ)在全国范围内更好地推广和普及,更加有效地解决工程实际问题,本文介绍基于XML与ASP技术开发的“技术创新理论与应用网络教学平台”。该平台具备网络课程学习、工程案例分析、习题与自测、课程媒体资源、互动空间与资料搜索等多种功能,能够向学生演示和表达创新知识,辅助教师进行创新知识的传授;帮助学生巩固创新知识,诱导学生积极思考,发现探索创新知识,充分发挥学生的主观能动作用;提供教师备课以及学生学习时的大量的学科素材,并提供准确、方便、快捷的检索机制;为学生与教师的网络互动提供了空间,使学生学习过程中的问题能及时解决。该平台是网络教学和课堂辅助教学的有利手段。

图1  网络教学平台的总体架构

  1.相关技术简介
  XML可扩展标记语言(Extensible Markup Language)是一种数据描述技术,是W3C 于 1998 年提出的数据文件格式标准,是标准通用标记语言 SGML(Standard Generalized Markup Language)的一个简化的子集,它略去了 SGML 中使用频率低的一些内容,重新定义了一些 SGML 的内部值和参数,并删去了大量繁杂的、不常用的使编程复杂的特征,从而使得编程简化,易于在 Web 上传输和交互。XML 的元语言特性及其本身良好的结构性使它已经成为互联网异构环境中各种不同类型和不同领域数据互交换的开放标准。
  ASP.NET是微软整个.NET Framework 战略中一个重要的组成部分,具有开发效率高,平台无关性、安全性等方面的优势,广泛用于创建动态 Web 站点和基于 Web的分布式应用。作为.NET Framework平台的一部分,ASP.NET 是建立在.NET Framework丰富的类库和CLR上的编程框架,.NET Framework强大的后盾使ASP.NET 与以前的 Web 开发平台相比,性能有着显著的提升。
  2.网络平台架构
  技术创新理论与应用网络教学平台由首页和课程学习两大模块构成,其结构如图1所示。首页模块包括课程简介、教学大纲、相关资源以及关于和帮助。课程学习模块由课程学习、案例分析、习题与试题、课程资源界面、互动平台与资源搜索组成。其中课程学习框架、案例分析框架和习题与试题框架的结构与使用大体类似,由目录框架和内容框架组成。目录框架又由目录工具栏和目录组成,内容框架由内容工具栏和内容页面组成,学生通过点击目录中的章节便可以在内容框架中显示相对应的内容,这部分基于XML相关技术与XSL转换文档技术进行开发。而资源搜索框架和互动平台为网站互动环节,是具备网络交互能力的动态页面,采用ASP与Acess数据库技术实现实时交互与资源搜索功能。
  3.网络平台的开发
  3.1首页模块
  首页模块的界面如图2所示,其主要包括:课程简介(对课程内容与应用环境的简单介绍);教学大纲(课程的知识点、重点难点以及学时安排);相关资源(提供浏览本网站需要的相关软件下载以及相关参考网站链接);关于(版权声明与发行单位的情况说明);帮助(本网站使用的帮助信息)。首页部分采用div通过导航条控制课程简介、教学大纲、相关资源、关于、帮助内容的消隐,通过按钮选择进入课程学习或离开本站,同时首页部分可对本课程所涉及的优秀图片进行滚动播放。
  3.2基于XML的课程学习模块
  课程学习部分的界面如图3所示。课程学习部分由课程学习、案例分析、习题与试题、课程资源、搜索和互动平台组成。其中课程框架、案例分析框架和习题与试题框架的结构大体类似,由目录框架和内容框架组成。目录框架又由目录工具栏和目录组成,内容框架由内容工具栏和内容页面组成。这一部分由于是知识的介绍故采用静态页面进行设计,应用javascript脚本语言和xml技术对xml文件进行调用。

图2 网站首页部分

图3 课程学习模块页面

  这里举例说明XML 文件的设计方法:
  (1)网络平台XML 文件的设计
  根据网络平台架构的需求,课程相关章节、相关案例以及习题自测题对应的 XML 文件所包含的元素及属性设计如下:根元素为“catalog”,代表整个课程目录;“list”为章节的一级标题元素,该元素包含“id”、“caption”两个属性,其中“id”为在目录框架中一级标题对应显示的章节号,“caption”为该一级标题号对应显示的章节名称。在一级标题内部嵌套的“list”为二级标题元素,该元素同样包含“id”、“caption”两个属性,其中“id”为在目录框架中二级标题对应显示的章节号,“caption” 为该二级标题号对应显示的章节名称。具体文件结构如图4所示。
  (2)XSL转换文档的设计
  XSLT(eXtensible Stylesheet Language Transfor-mation)是W3C推荐的XML文档数据的转换技术。可以采用XSLT技术实现XML文档数据的查询、读写操作。XSL文档本身是一个定义严格的XML文档,符合XML语法规范。XSLT技术以“模板驱动”的方式访问XML数据元素及其属性。在访问元素时,使用XPath 2.0规范定义的表达式和函数对XML数据元素进行转换,转换包括元素定位、定义显示格式、算术运算、逻辑运算、各种函数的使用等。最后,通过把XSL编写的程序嵌入到HTML文件的方式,来访问指定模板的XML元素和属性,实现对XML文档的转换。XSLT处理器可以安装在客户端或服务器端,经过XSLT处理的XML数据能以HTML的形式显示在浏览器上。
  每一类文本需要不同的显示格式,在XSL程序中采用了多模板( template)并行的方式,对所有不同级别的文本给予不同的格式处理。通常XSL转换程序中存在多个并列的模板,每个模板使用了选择属性的方式显示各级标题:,然后通过与下一级模板连接,从而形成一个完整的转换程序。
  通过这种转换便实现了课程目录、试题目录以及案例目录的XML文件在目录框架的自动生成,并利用程序实现了XML文件与对应网页进行的链接,这样用户通过点击左侧目录中的章节标题便可以在右侧的内容框架中显示相对应的章节内容,目录可以快速打开和折叠,同时课程学习界面还提供对内容的收藏、打印、前进、后退等多种功能。
  课程学习部分以化学工业出版社出版的《技术创新理论(TRIZ)及应用》一书为核心,详细阐述了TRIZ理论、发明问题的情境分析与描述、物理冲突及其解决原理、技术冲突及其解决原理、物质—场分析方法、76个标准解、技术进化模式分析、技术成熟度预测、解决发明问题的程序(ARIZ)、效应等技术创新理论(TRIZ)及应用课程的核心内容,结合大量图片和实例使内容通俗易懂。案例分析部分除了详细阐述书本上的现有案例,还针对课程的学习重点和学习难点—40条发明创造原理和11种技术进化模式,收集了数量极为庞大的新颖先进的案例,并对案例进行了深入分析,是目前国内其他同类课程所难以比拟的,特别有利于学生对重点知识的掌握。自测园地部分根据学生学习的需要针对每一章节设置了习题,并提供了答案,可以加深对相关知识点的分析、练习、理解与记忆,同时提供了本门课程的模拟试题,通过该试题学生可以自我检验学习效果。
  3.3课程资源模块
  课程资源部分针对课程的学习重点和难点—40条发明创造原理和11种技术进化模式,收集并制作了大量实例动画及多媒体视频,对每种发明创造原理和技术进化模式分别进行了链接导航,点击相关原理或模式便可以直观看到并选择该原理对应的相关多媒体资源。如图5所示,选择某一个资源便进入播放界面进行在线观看,在这里可以对多媒体文件的播放进度、声音、暂停与继续进行控制。这些素材成为学习本门课程的有利资源,使学生方便直观的理解相关重要知识点。
  3.4基于ASP的互动与搜索引擎模块
课程的学习设置互动模块,方便学生在学习过程中遇到问题进行提问,教师可利用该平台进行辅导答疑,平台管理人员可以进行考试信息、调课信息等通知的发布。其页面如图6所示,由于该模块涉及交互技术,因此采用ASP技术开发为动态网页。
  每个学生都可利用该平台提问,只需要设置姓名,性别,来自的班级,个人Email,发表信息的字体、大小、颜色等,便可以进行留言。教师可以利用该平台进行登录,并对留言板进行相关设置,同时当以教师身份进行登录后就可以对学生的相关问题进行答复,对重复的问题进行删除,给学生发Email,同时还可以更改自己的登录密码。
  站内搜索引擎采用ASP技术关联Access数据库进行开发。其页面如图7所示,在页面的左侧可以实现对站内课程学习模块、案例分析模块、资源模块的标题关键词分别进行搜索,并可以设置搜索结果在页面内的现实条数,在页面的右侧便显示符合检索条件的相关文件列表,并显示了资源的标题、类型和所在章节等相关信息,通过点击标题,通过数据库链接进入相关显示页面。

图4 XML文件的典型结构

  4.网站特点
  4.1学习内容与方法
  网络平台包含的学习内容全面,使学生从以下五个部分开展课程学习:
  (1)基本理论:介绍TRIZ的内容、产生和重要发现,发明的等级,发明问题的情境分析,理想设计,效应等,让学生了解和掌握TRIZ理论的基本内容。
  (2)冲突分析及其解决原理:介绍物理冲突、技术冲突、冲突矩阵、工程技术参数、分离原理、40条发明创造原理等。让学生了解创新问题的分析方法,把握问题的解决原理和程序。
  (3)物质—场分析方法:介绍物质—场的类型、物质—场问题的分析模型、76个标准解等。让学生了解和掌握TRIZ理论的模型分析创新的方法,解决实际问题。
  (4)技术进化理论:介绍技术进化路线、进化模式和进化规律,技术成熟度预测分析方法。使学生了解和把握TRIZ的核心内容,用科学的发展观解决创新问题。
  (5)ARIZ方法:介绍ARIZ解决技术问题的基本分析方法、解题的程序。让学生了解和把握复杂创新问题的求解思路。
  学生在进行理论学习后,可以利用本网站提供的大量工程案例和多媒体资源对理论知识进行消化吸收,并通过习题和自测题对重要知识点进行巩固,使学生采用良好的学习方法对本课程知识进行学习。

  4.2教学的重点难点突出
  教学内容重点、难点为:冲突分析及其解决原理、技术进化理论两个部分。网络平台不但在理论学习部分采用大量篇幅讲解该部分知识,而且在案例分析和课程资源模块准备了大量素材使学生对关键内容进行消化理解,这样通过理论介绍、案例分析,融合图片、动画和录像等多种形式的调动、启发锻炼并提高学生分析问题、解决问题的能力,从而逐步达到解决实际问题的能力,实现创新能力的提高和创新方法的掌握。
  4.3新颖独特的案例与媒体资源
  针对本课程教学的重点和难点—冲突分析及其解决原理、技术进化理论,网络平台收集了大量的工程案例与多媒体视频和动画。工程案例以40种发明创造原理为例,针对某一个原理的工程案例多达30余个,案例总数多达500余个;多媒体资源以11种技术进化模式为例,针对某一个进化模式的多媒体资源多达20余个,案例总数多达200余个。而这些案例与媒体资源多为近年来世界上最新的发明创造,涉及工业、农业、军事、能源、建筑、环保、生活等多方面,且多数为高科技产品,如图8所示的未来机器人警察以及图9所示的未来超导体汽车等。这些新颖独特的工程案例对学生理解学习内容、提高学习兴趣具有很大帮助。
  4.4完备的功能
  网络平台除了具备课程学习、案例分析与自测习题等功能外,还具备互动模块,方便学生在学习过程中遇到问题进行提问,教师可利用该平台进行辅导答疑,平台管理人员可以进行考试信息、调课信息等通知的发布。站内包含各种资源数量庞大,为了便于学生快速获得信息,本站开发了站内搜索引擎可以实现对站内课程学习模块、案例分析模块、资源模块的标题关键词分别进行搜索,所有资源的信息与链接都写在Access数据库文件中,包涵了700余条资源信息。除此之外,网站还具备课程简介、教学大纲、课程帮助、相关软件资源与参考网站等多种功能。
  4.5良好的交互界面
  网络平台除了功能齐全外,其界面也经过精心设计,如专为本课程开发的网站logo,以启发式创新常用的灯泡为背景,融入TRIZ文字,如图10所示,设计新颖,独具一格。网页中采用了大量的flash动画按钮,使界面更加生动美观,同时还设计了一些flash动画网页,更增加了网站的整体效果。
  5.效果与结论
  《技术创新理论(TRIZ)及应用》网络教学平台开发后,在高校教学和国内大型企业进行了推广和试用,结果显示该平台可以较好地完成课程学习、工程案例分析、自测与复习、多媒体资源浏览、网络互动和资源搜索等多种功能,网站功能完善,案例新颖独特,界面良好,用户反映很好。实践证明,该网络教学平台是优秀的网络远程教学工具和课堂教学辅助工具,具有较好的应用前景和推广价值,它的推广和应用必将推动TRIZ理论在全国范围的推广和普及。


                                                                            责编/宋文芳