阿奇舒勒是前苏联的一位天才发明家，于1946年创立TRIZ理论。TRIZ理论研究人类进行发明创造、解决技术难题过程中所遵循的科学原理和法则，曾被称作前苏联的“国术”和“点金术”。其独特的技术系统进化法则被西方称之为“人类三大进化理论之一”，与达尔文的生物进化理论和马克思的人类社会进化理论相提并论。技术系统进化论包含8个基本进化法则。利用这些进化法则，可以分析当前产品的技术状态，并预测未来发展趋势，开发富有竞争力的新产品。像所有技术系统的进化一样，教学仪器的进化和更新换代都遵循一定的客观规律。下面结合TRIZ理论以及笔者研发教具的经验，介绍教学仪器进化的一些规律。教学仪器的进化和更新换代遵循的法则有：S曲线进化、动态性进化、向微观级进化、向超系统进化、向自动化智能化方向进化等。了解这些进化法则对一线教师开展自制教具活动，对企业研发教学仪器产品都有一定指导意义。

　　一、S曲线进化法则
　　同其他产品一样，任何一种教学仪器产品都随着时间的推移向着更高级的方向发展和进化，并且它们的进化过程都会经历相同的几个阶段，一般包括婴儿期、成长期、成熟期和衰退期4个阶段，这条路线是一条S形的“小路”，即所谓的S曲线（如图1所示）。当一种教学仪器的进化完成4个阶段后，必然会出现另一种采用新技术的教学仪器来替代它，如此不断地替代（如图2所示）。
　　图1 图2
　　实例1 测力计的进化
　　机械式测力计是测力计的第一代产品。目前实验室使用的测力计有各种不同的构造（如图3所示），它们的主要部分都是弹性钢片或弹簧。为了增加测力计的功能，人们设计了拉压测力计、带记忆功能的测力计，这些都属于一代产品，虽然有了小的进化，但并不是真正意义上的第二代产品。
　　图3
　　数字式测力计（如图4所示）是测力计S曲线进化的第二代产品。其核心技术是采用力传感器，将力转换为电压或电流的模拟信号，经放大及滤波处理后由A/D处理器转换为数字信号，数字信号由中央处理器（CPU）运算处理，最后由显示屏幕以数字方式显示。数字式测力计可精确地测量当前值、最大值、最小值等。在此基础上，人们还设计了图形显示测力计、双通道图形显示测力计（如图5所示）等。这些都是第二代测力计的进化。
　　图4 图5
　　掌握S曲线进化法则不仅可以有效提高教学仪器研发的效率，还可以确定仪器核心技术在S曲线上的位置，确定仪器目前及今后的发展目标，确定应当避免的典型错误，形成技术系统研发的战略目标。这就是S曲线进化法则的意义所在。
　　二、动态性进化法则
　　教学仪器的发展变化就像生物进化一样存在着一些客观规律，看看我们身边的产品，如测量长度的工具，经历了从刚性直尺到折叠尺、从柔性卷尺到激光测距的进化过程；教师们使用的教鞭，经历了木杆教鞭到伸缩教鞭又到激光教鞭的进化过程……总之，教学仪器的进化是朝着柔性、可移动性和可控性方向发展的，这就是动态性进化法则。其技术进化路线是：无动态的系统→结构上的系统可变性→微观级别的系统可变性，即刚性体→单铰链→多铰链→柔性体→气体/液体→场（如图6所示）。
　　图6
　　实例2 平面镜成像实验仪器进化
　　这个实验主要是演示平面镜成像的规律。一般教科书上介绍的都是在桌面上组装仪器，让学生观察。课堂演示中，教室中间的学生很容易看到蜡烛在镜中的成像情况，而教室两侧的学生观察很困难。为了解决这个问题，根据动态性进化法则，我们可以设置自由旋转的平台（如图7所示），改进后的装置可供全班不同位置的学生准确、直观地观察实验现象。根据动态性进化法则，我们还可以继续改进，第七届全国自制教具评选活动一等奖作品《平面镜成像特点演示仪》（如图8所示），将原来的一块玻璃断为三截，中间留出两条空当，前后各放置一个相同的物件相叠，不仅能够完成平面镜成像，还可以准确地测量尺寸大小，解决了用平板玻璃代替平面镜做实验时前后两个面都能成像且不利于观察的问题。
　　图7 图8
　　实例3 弦线驻波实验仪器的进化
　　实验室中常用这样的装置演示驻波：在音叉一臂的末端系一根水平弦线，弦线的另一端通过滑轮系一砝码拉紧弦线（如图9所示）。当音叉振动时，振动引起的波沿弦线向右传播，称为入射波。同时波在右端被反射并沿弦线向左传播，称为反射波。这样，入射波与其反射波在同一弦线上沿相反方向传播，将会相互干涉形成驻波。
　　图9
　　按动态性进化法则进行改进，可将直线驻波改成曲线驻波。第六届全国自制教具评选活动一等奖作品《环状金属线上的驻波演示器》（如图10所示），就是把钢丝变成一个圆形后，将两端固定在喇叭振源的铜棒上。接通电路，调节频率，从钢丝左端和右端传来的振动在钢丝内叠加，当调节到圆周长等于半波长的整数倍时，在圆环上形成3个或5个环形驻波。
　　图10
　　继续沿着动态性进化法则路线进行改进，就要考虑利用液体、气体和场了。气体火焰驻波演示器（如图11所示）就是通过火焰的高低来演示声驻波现象的。利用磁场驱动的弦线驻波仪器（如图12所示）是将一金属弦线两端固定，放在磁场中，当弦线通以交流信号时，会在磁场中受力而振动，同时可以观察到驻波的形成。克拉尼图形演示仪（如图13所示）则是利用声场演示驻波，将一金属铝板中心固定在扬声器上，金属铝板呈水平，扬声器与音频信号发生器相连，由音频信号发生器驱动扬声器，扬声器使铝板振动，振动在边界往复反射而形成驻波，由于板的振动是二维振动，所以会形成不同形状的曲线波节。在金属铝板上撒些金刚砂，在振动时，金刚砂只能停留在波节处，调节音频信号发生器的频率，金刚砂就在振动板的波节线上聚集起来形成规则的图形，这就是克拉尼图形。
　　图11 图12 图13
　　三、向微观级进化法则
　　教学仪器进化的方向还有另一条路径—向微观级进化，即由大到小、由宏观系统向微观系统的转化。例如，电子元件向微观级的进化路线：真空管→晶体管→集成电路；播放器向微观级的进化路线：录音机→随身听→便携CD机→MP3→耳环播放机。 　　实例4 微型化学实验
　　随着“低碳生活”的理念逐步被人们认可并接受，微量化也成为化学实验的一种趋势。所谓微型化学实验，就是以尽可能少的化学试剂来获取所需化学信息的实验方法与技术。虽然它的化学试剂用量一般只为常规实验用量的几十分之一乃至几千分之一，却可以达到准确、明显、安全、方便和防止环境污染等目的。图14是一个微型化学实验箱，利用它可以完成许多中学化学实验。
　　图14
　　四、向超系统进化法则
　　任何先进的教学仪器都会走这样一条进化路线：从简单的单系统向两个和多个系统或不同系统混合的方向进化，并贯穿其整个寿命的始终。向超系统方向进化会使教学仪器趋向更加简单、可靠、有效。
　　实例5 电磁阻尼实验仪器进化
　　人教版高中物理教材中有这样一个实验：弹簧下端悬挂一根磁铁，将磁铁托起到某高度后释放，如果在磁铁下端放一个固定的闭合线圈，可以发现磁铁振动几下很快停下来，这就是电磁阻尼现象（如图15所示）。
　　如果依据向超系统进化的法则对电磁阻尼实验进行改进，我们可以在原系统上增加一个完全相同的振动系统，并用导线将两线圈连接起来（如图16所示），用手沿竖直方向轻拉左侧弹簧离开平衡位置一定距离，放手后，弹簧带动磁体一起振动，闭合电路中产生感应电流；同时右侧螺线管有电流通过，产生磁性，使得右侧磁体也逐渐振动起来。这一超系统可以演示电磁感应、电磁耦合、能的相互转化等现象。
　　图15 图16 图17
　　按照向超系统进化的法则继续改进，我们还可以增加显示感应电流的电流表、短路开关、换向开关等，这就是第五届全国自制教具评选活动二等奖作品《电磁作用和共振实验装置》（如图17所示）。该仪器可以演示的实验有：电磁感应现象，机械能、电能、磁能相互转化，楞次定律，磁电相互作用，感应电动势与反电动势，机械振动，感应电动势、感应电流及反电动势的位相关系，电磁阻尼，共振现象，交流电的产生，拍现象……经过改进，该仪器具有了综合性，涉及的物理知识源于课本又高于课本，具有一定的研究性和开拓性，体现了创新教育的精神。
　　五、向自动化智能化方向进化
　　技术系统进化论指出：技术系统总是摒弃那些机械的、重复的、枯燥无味的手工操作，通过提高自动化程度提高技术系统功能的效益，解放人们去完成更具有创造性的工作。例如最初人们洗衣服都用搓衣板，后来有了洗衣机，并先后出现单缸、双缸、全自动洗衣机。随着技术的进步，教学仪器也向着自动化智能化方向进化。
　　实例6 影响摩擦力大小因素实验仪器进化
　　图18 图19 滑动摩擦力实验设计三视图
　　一般中学教材通过多次对比实验研究影响摩擦力大小因素（如图18所示）。而图19所示的设计方案大大提高了自动化程度，将弹簧秤固定于竖直面板上，通过匀速拉动活动平板使3个滑块同时发生相对移动（相对于活动平板）；仪器采用了3个弹簧秤，可同时测出压力相同时不同接触材料的摩擦力大小，接触材料相同压力不同时摩擦力大小，这样便于学生对比观察，大大缩短了教学时间，提高了课堂效率。
　　根据向自动化智能化方向进化的路径，还可以用电动传送带代替手工操作（如图20所示）；还可以用数字化实验装置代替弹簧秤，将力传感器固定，感知力的一端通过一段细绳与木块连接做本实验（如图21所
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　　示）。拉动木板，各个时刻的拉力就反映了对应的摩擦力。实验数据传入计算机，木块抽动过程中拉力的变化以线形式展示。这样木块由不动到运动中摩擦力的变化就通过图线清楚地呈现给学生。
　　图20 图21
　　六、结束语
　　以上介绍了教学仪器进化的五个法则，此外还有提高理想度法则、子系统协调性进化法则、子系统的不均衡进化法则等。
　　像所有产品的进化一样，教学仪器的进化实际上是产品核心技术从低级向高级变化的过程。设计人员不断解决技术矛盾和教学矛盾是其进化的推动力。掌握技术进化理论，能够帮助我们系统地分析问题情境，还能预测产品未来发展趋势，帮助我们开发富有竞争力的新产品。当然，与其他产品相比，教学仪器是有教育功能的产品，有自己的独特性，这也是研发人员应考虑的。