中 華 大 學

中 華 大 學 碩 士 論 文

運用 TRIZ 方法於校園生態池之改善 -以博愛國小為案例探討

Application of TRIZ Theory for the Improvement of Ecological Ponds in Campus - A Case Study on

Po-Ai Elementary School

系 所 別：土木工程學系碩士班 學 號 姓 名 ： E 1 0 1 0 4 0 0 5 陳 芳 薇 指 導 教 授 ： 張 奇 偉 博 士

中 華 民 國 103 年 6 月

I

摘 要

自從教育部推動「永續校園推廣計畫」以來，部分校園積極參與了「教育部輔助 永續校園生態水池」的申請計畫，綜觀許多校園都設置有傳統景觀生態池，卻並不符 合教育部「永續校園推廣計畫」的要求。若將生態池拆除重建，所需經費龐大，更造 成財、物以及資源的浪費，因此若能針對各校的生態池生態因子局部做改善，不但能 達到永續發展的目的，更能減少對生態環境的破壞。本研究以新竹縣博愛國小生態池 為探討案例，針對生態池環境作分析，提出目前生態池最急迫改善的四個問題，透過 系統性創新理論-TRIZ 理論的基本方法:技術矛盾、物理矛盾、物場模型分析等方法，

來改善博愛國小生態池的硬體結構，使其符合生物多樣性；改善生態池水的流動，增 加水中的含氧量；種植水生植物及放養動物；改善生態池的管理方法，達到永續發展。

本研究所得到的最佳解為(1)將生態池旁邊的殘障坡道及生態池上方半圓形鐵欄杆移 除。(2)在生態池的四周種植各種原生品種植栽。(3)針對生態池水泥垂直壁及生態條 件做改善，池壁、池底打洞，增加多孔隙材料堆置創造生物棲息、躲藏空間。(4)利 用太陽能供電，設置抽水機抽水到上層，讓水流動。(5)將原有的缺口加大，利用水 流帶動水車，增加水的含氧量。(6)將生態池的維護明訂為校園管理工作的一部分，

排定固定人員，定期進行管理維護。(7)考慮加入網路虛擬校園生態池。改善策略提 供新竹縣博愛國小參考，以達到濃縮式自然環境的理念；研究結果也可以作為其他學 校改善生態池時參考。

關鍵字:校園生態池、TRIZ 理論、濃縮式自然生態、矛盾矩陣、質場分析

II

ABSTRACT

Since the Ministry of Education (MOE) has promoted the "Sustainable Campus" plan, some schools actively have participated in the "MOE Assisted campus’ ecological pond sustaining promotion program”. An overview indicated that many schools have set traditional ecological ponds, but they are not meeting the requirement of "Sustainable Campus Plan". However, higher costs are required to demolite and reconstruct these ecological ponds. Based on current financial status, government can’t support schools enough fundings to do such reconstruction. If we can focus on improving the ecological factors of the ecological ponds, it does not only to achieve the goal of sustainable development, but also help to reduce the destruction for ecological environment. This research uses ecological pond of Bo-Ai Elementary School as the case. Analyzed the environments of ecological pond, raised the most urgent four issues, by means of systematic invention theory – TRIZ. Techniques such as technical contradictions, physical contradictions, and the substance-field model analysis were used to improve the structure of Bo-Ai Elementary Scool ecological pond. The goals of sustainable development are matching the biological diversity, improving the ecological water flow, increasing the oxygen content in water, cultivation of aquatic plants, and animals stocking, improving the ecological pond management methods. The best solutions developed in this study: (1) Remove the handicap ramp (beside the ecological pond) and iron railings (on the top of ecological pond). (2) Plant the different native plant species surrounding the ecological pool. (3) Improve the ecological conditions of the vertical cement walls, such as to make holes at the wall and the bottom of the pond. Increasing the habitat and hiding space for aquatic organisms by stacking the porous materials. (4) Use the solar power system for the water pump. (5) Widen the current water channels, let the water move the waterwheel to increase the oxygen of water. (6) Prepare an ecological pool maintenance regulation and

III

write as a part of the campus management document. Assign the management persons maintain the ecological pond periodically. (7) Consider to develop a virtual ecological pond as teaching reference materials. The improvement strategy serves as a reference for Bo-Ai Elementary School to achieve the concept of concentrated formula of the natural environment. The research results also can be used as reference for other schools’

ecological ponds improvement.

Keywords: compus ecological pond, TRIZ theory, concentrated natural ecology, technical

IV

謝誌

感謝中華大學成立碩士在職專班，讓已經在工作的我能有機會再一次於校園中學 習；感謝建築與設計學院、土木系的所有師長們，每一次的上課對我來說都是視野的 開拓與心靈的再成長。尤其感謝指導教授張奇偉博士，持續的討論研究，提供我研究 的方向，在論文架構及鋪陳上的提點，伴我度過每一次的難關。

特別感謝翁榮洲教授及范德威教授擔任論文口試委員，並於口試時細心聆聽，提 供我許多寶貴的想法及改進建議，讓我的論文研究更加完備，更有研究價值。

本論文的完成也必須感謝我的戰友們:彭德明老師、葉美玲老師、李宜如老師、

楊詠喬老師、張小娟老師、謝嘉鈞老師、許秀雯老師、李素珍老師，兩年半的研修歲 月，我們彼此互相扶持、給大家打氣加油，讓我們撐持過來，回首過去兩年半，還好 有你們，讓我在學習的路途有良師益友、有人可以分享、有人可以相互扶持，謝謝你 們。其中最要感謝的是李素珍老師，在您的極力邀約下，半推半就地參加先修班、參 加研究所考試、忙碌的上學生活，轉眼間我竟然已經完成了不可能的任務-拿到碩士 學歷，應該說沒有你就沒有今日的我。由衷的感謝您!

最後要感謝我親愛的家人，學業上的壓力讓我在這兩年成長不少，但對於你們也 有所疏忽。感謝老公隨時配合我接送小孩，安排孩子們的假日生活，讓我能安心地上 學。謹將我的論文獻給所有愛我的人，以及所有幫助過我的人。祝福所有的人都能平 安、喜樂!

V

目錄

第一章 緒論……… 1

1.1 研究背景……… 1

1.2 研究動機……… 2

1.3 研究目的……… 3

1.4 研究架構……… 4

第二章 文獻探討……… 5

2.1 校園生態池的設置……… 5

2.1.1 校園生態池的定義……… 5

2.1.2 校園生態池的種類與營造理念……… 6

2.1.3 校園生態池的管理……… 10

2.2 水中生物……… 14

2.2.1 水生植物……… 14

2.2.2 水生動物……… 14

2.3 濃縮式自然生態……… 18

2.4 TRIZ 創新理論相關運用……… 20

第三章 TRIZ 基本原理分析……… 24

3.1 TRIZ 的簡介……… 24

3.1.1 TRIZ 的背景……… 24

3.1.2 TRIZ 理論體系……… 25

3.2 TRIZ 創意 40 發明原則……… 26

3.3 TRIZ 工具……… 30

3.3.1 技術矛盾(Technical Contradiction) ……… 31

3.3.2 物理矛盾(Physical Contradiction) ……… 35

3.3.3 質－場分析……… 38

VI

第四章 案例探討－以博愛國小生態池為例……… 42

4.1 生態池現況分析……… 43

4.1.1 環境生態系統……… 43

4.1.2 生態池生態系統……… 45

4.1.3 問題分析……… 47

4.2 TRIZ 方法應用於生態池之解析……… 49

4.2.1 改善生態池結構符合生物多樣性(濃縮式自然生態環境) ……… 49

4.2.2 改善生態池水的流動……… 53

4.2.3 改進生態池水生動植物符合教學需求……… 59

4.2.4 生態池的永續發展問題 ……… 63

4.3 分析結果……… 65

第五章 結論與建議……… 69

5.1 結論……… 69

5.2 建議……… 69

參考文獻……… 71

附錄一 TRIZ 之 39 工程參數……… 74

附錄二 76 標準解……… 76

VII

表目錄

表 2-1 依水體流動特性將水池做分類……… 6

表 2-2 依教育、生態、規劃主體性三個面向，將校園水生植物池類型做分類 7

表 3-1 TRIZ 的 40 發明原理與原則……… 27

表 3-2 39 項工程參數表……… 31

表 3-3 TRIZ 解決攜帶奶粉問題流程……… 33

表 3-4 矛盾矩陣表(部分表格) ……… 34

表 3-5 常見的物理衝突……… 35

表 3-6 物理矛盾的四大分離原則……… 37

表 3-7 質場線條形式代表意義……… 39

表 3-8 76 個標準解方法分類法(五大類) ……… 41

表 3-9 76 個標準解各分類標準解所代表的意義……… 41

表 4-1 生態池外側尺寸……… 45

表 4-2 生態池內側尺寸……… 46

表 4-3 博愛國小生態池環境因子……… 46

表 4-4 博愛國小生態池需要改善的問題及運用的 TRIZ 工具……… 49

表 4-5 改善生態池結構符合生物多樣性轉化成 TRIZ 問題……… 50

表 4-6 改善生態池結構符合生物多樣性矛盾矩陣表(部分表格)……… 50

表 4-7 改善生態池水的流動轉化成 TRIZ 問題……… 54

表 4-8 改善生態池水的流動矛盾矩陣表(部分表格)……… 54

表 4-9 改善生態池水生動植物符合教學需求轉化成 TRIZ 問題……… 59

表 4-10 改善生態池水生動植物符合教學需求矛盾矩陣表(部分表格)……… 60

表 4-11 空間分離對應創新發明原理及原則……… 61

表 4-12 生態池軟硬體的維護管理……… 64

表 4-13 運用 TRIZ 創新理論所得到的改善策略……… 65

VIII

圖目錄

圖 1-1 研究程序圖……… 4

圖 2-1 校園生態池區域選擇考量圖……… 10

圖 2-2 優養化……… 11

圖 2-3 水生植物分類表……… 14

圖 2-4 濃縮式水域生態示意圖……… 19

圖 2-5 濃縮式自然生態環境概念圖……… 19

圖 3-1 TRIZ 理論體系……… 26

圖 3-2 TRIZ 矛盾解決流程圖……… 31

圖 3-3 基本的質-場三角模型……… 38

圖 3-4 有效完整模型……… 39

圖 3-5 不完整模型……… 39

圖 3-6 效應有害的完整模型……… 40

圖 3-7 效應不足的完整模型……… 40

圖 4-1 博愛國小生態池問題研究流程……… 42

圖 4-2 博愛國小東、西側水生植物池……… 43

圖 4-3 博愛國小生態池上視圖……… 44

圖 4-4 上層溢流孔……… 44

圖 4-5 下層溢流孔……… 44

圖 4-6 優養化圖(上層) ……… 45

圖 4-7 優養化圖(下層) ……… 45

圖 4-8 殘障坡道圖……… 51

圖 4-9 運用巢狀結構增加植栽……… 52

圖 4-10 生態池結構的物場模型分析圖……… 52

圖 4-11 加入多孔隙材料強化生態池效應之質-場模型圖……… 52

IX

圖 4-12 使用網子撈除雜物(分離抽出) ……… 55

圖 4-13 太陽能供電系統……… 55

圖 4-14 預先作用過濾系統 1……… 56

圖 4-15 預先作用過濾系統 2……… 56

圖 4-16 水生池有高低差並加大孔洞……… 56

圖 4-17 生態池水流的質場分析模型分析圖……… 57

圖 4-18 生態池水流增加機械場的質場分析模型分析圖……… 57

圖 4-19 水車……… 58

圖 4-20 原來生態池溢流孔……… 58

圖 4-21 加大溢流孔……… 58

圖 4-22 改進水流增加水含氧量之並聯式質場模型圖……… 58

圖4-23 生態池親水平台虛擬導覽……… 61

圖 4-24 生態池水生植物種類的選擇問題矛盾衝突……… 61

圖 4-25 生態池永續發展之質-場模型……… 64

圖 4-26 加入管理場增進生態池永續發展之質場模型圖……… 64

圖 4-27 加入自動管理場增進生態池永續發展之質-場模型……… 65

圖 4-28 運用 TRIZ 創新改善博愛國小生態池之示意圖……… 68

1

第一章 緒論

1.1 研究背景

濕地與森林、海洋並稱全三大生態系統，是水生及陸地生態系統最精彩的過度地帶。

濕地由於兼具陸地和水生生態系統的特點，因此濕地也是世界上生產力最豐沛的生態系，

被譽為「地球之腎」，可以保存水中的養分、過濾化學和有機廢物、積存懸浮物，使水質 淨化。濕地具有調節氣候、調蓄水量、淨化水體、美化環境、防洪抗旱、涵養水源、地 下水補注、調節氣候、保持水土、物質生產、生物多樣性、生物棲息地、休閒旅遊、研 究與教育等功能。

濕地一般分為天然濕地，如泥灘、潟湖、湖泊、泥沼等；人工濕地，如魚塭、鹽田、

水稻田、蓮花池、景觀池、生態水池等。城市濕地則是一種新的觀念，泛指人類居住範 圍內屬於都市水文循環的溼地生態系。城市濕地的水源包含降雨、湧泉、地表逕流或是 存在於城市中的溪流、水圳、水道、溝渠、湧泉、魚塭、埤塘、鹽田、水稻田、菱角田、

蓮花池、景觀池、生態水池、人工湖泊、地下水體及處理廢汙水的人工溼地等。

由於經濟的發展，帶動各地區的開發，因而許多人們居住周遭的溼地受到開發破壞，

取而代之的是鋼筋水泥建築及柏油路面、不透水的鋪面大量取代天然的土地及原有的濕 地，所產生的熱島效應顯著。台灣地區受到熱島效應的影響範圍不僅越來越明顯，也可 能導致區域性氣候改變，可說是當前迫切的環境問題之一。值得注意的是在都市中「大 量建築物取代植被空間影響蒸發降溫功能劇減」、「濫用不透水鋪面等阻隔降雨入滲土 壤儲存」與「過量使用汽機車與冷氣造成空氣與熱污染」等作法，不僅違反生態維護的 原則，也是導致熱島效應發生的部分原因。近年來全省時常面臨乾旱缺水，洪水發生時 挾帶嚴重土石流，暑熱逐年增溫也提前發生，最高氣溫屢創新高，這些異常氣候現象推 測與整體生態環境品質惡化有密切的關聯。

2

自工業革命以來快速的產業發展與資源過度開發，破壞了全球生態環境，產生了許 多環境問題，也激起了全球環境保護運動與環境運動。生態教育和環境教育是一體的兩 面，打造生態校園，進行生態教育，成為校園環境經營的主要理念之一。

1.2 研究動機

為達成永續發展的目標，行政院主導「挑戰 2008 —六年國家重點發展計畫」，由教 育部規劃的「永續校園推廣計畫」，為建立一個進步、安全、衛生、健康、人性化的學習 環境空間為主，並於擴大內需刺激景氣的期程內，加速推行校園公共工程改造計畫，藉 由突破傳統校園封閉的環境與制式管理原則下，整合社區共同意識、建立社區風貌、拓 展生態旅遊等課題，改造校園環境成為具有社區特質的公共活動空間，結合校園綠色技 術實施應用，轉化國內相關產業技術，進而增進綠色產業推廣效益，落實擴大內需進而 促進產業升級與提振國內景氣之功效，從而發揮永續台灣、環境教育之積極意義與促成 教育改革之目的。

永續校園包含項目在硬體方面含括「生態環境恢復與維護」以及「永續建築」兩大 項目，從瞭解自身校園地域、文化、歷史與生態等特色，從而創造出完全不同且多樣的 校園環境。而在軟體部分，配合九年一貫課程實行，各校對應校園環境改造，創造出各 校教學特色的教學教材，未來更可配合鄰近不同教育特色的學校，更能形成緊密的環境 教育聯絡網。

根據全國國民中小學生態教學資源現況調查 [1]顯示，全國有 63.3﹪的學校已設有生 態池，在國小生態教學資源中最迫切需要的是提供相關資訊站 28﹪，其次經營管理佔 18.7

﹪，大多數學校還是想做好生態教學，但不知如何做，再則經營管理也是延續教學的重 要因素。

目前許多學校內設有傳統景觀水生池，似乎可以思考改造原有水生池，讓它成為充 滿生機的溼地生態池。因此，擬從校園溼地生態池的改造、維護與管理作探討。博愛國

3

小創校時即設置有水生植物池，分別位於中庭集合場周圍，四周圍水泥建物及不透水鋪 面，周邊缺乏其他植栽及生物環境；水池上方因曾有學童掉落，設有鐵欄杆，以維護學 童安全，但缺乏親和性，學童觀察不易，反而因好奇而常有學童攀爬其上；水生植物的 種類足夠，但因缺乏管理，常有繁殖過多問題，再由工友加以撈除；池水來源為地下水，

與學校洗手台用水相同，水注入水生植物池後，滿了就由周邊挖除的孔洞溢流而出。配 合當時校園建置及當時需求而設置的水生植物池，在永續發展的觀點及現今環境教育的 需求下似乎需要一些具體改善建議，為博愛國小的傳統水生植物池注入新生命。

1.3 研究目的

本研究的目的是希望以「系統性創新理論」的方法，以博愛國小為探討案例，有系 統的歸納出博愛國小校園生態池的具體改善方法，使現有的校園生態池符合永續校園的 發展目標，並符合實際教學上需求。並期待改善後的博愛國小校園生態池，能提供其他 校園生態池一些具體改善經驗及研究方法，以確實發揮校園生態池的功能及教育意義。

4

1.4 研究架構

本研究欲應用 TRIZ 方法校園生態池，將先蒐集校園生態池、水生動植物、自然生態

圖 1-1 研究程序圖 文獻回顧

校園水生植物池設置探討

TRIZ 理論(技術矛盾、物理矛盾、質場模型)

博愛國小生態池案例探討

尋求改善方案

5

第二章 文獻探討

近幾年來，由於環境教育的大力推行，生態教育變成環境教育的主幹，在營造校園 環境的理念中，由於生態概念的加入，大家對生態的關懷，學校對生態教育的重視，如 何打造「生態校園」，進行生態教育，成為校園經營的主要理念。在學校既有的硬體設備 下要做生態環境的改造有其困難度，本研究從與自然課程相關的水生植物池出發，運用 TRIZ 的成功案例作探討，希望校園一角的生態池能在學生環境教育的學習有所助益。

2.1 校園生態池的設置

1997 年教育部與環保署頒布「加強學校環境教育三年實施計畫」，其中「校園生態教 材園」為重要的子計畫，所以各級學校開始在整體化、人性化、及生活化的觀念下規畫 各校校園環境，進行校園生態營造。生態與永續環境開始受到重視，因此生態池迅速出 現在校園之中。

學校是一個教育場所，配合環境教育及自然科教學進行，通常會在校園適當的地點 設置校園生態池，以便利全校師生進行觀察學習。

經驗可以來自於感覺，經由感官與外界的接觸，從環境中獲得素材，屬於一種外在 感官的學習，教育是「在經驗中」、「由於經驗」和「為著經驗」的一種發展過程[2]。實 物教學能有效灌輸學生環境知識，利用圖片、錄音帶、多媒體輔助課堂教學，對於學生 來說，眼前所呈現出來的是虛擬世界，沒有真實感。在皮亞傑的認知發展理論中，國小 的學童介於七到十二歲，正屬於具體運思時期，學童能藉由具體經驗解決問題，不再只 憑知覺所見去做判斷，但還不能做過於抽象的思考。

2.1.1 校園生態池的定義

王佩蓮 [3]指出，教學需在自然中進行，為符合生物生長需求，應多鼓勵各校設置開 放式的自然教學環境。針對各學校自然學習廣場的建立，最常見也是最普遍的，即是生 態教材園的規劃與營造。

6

校園生態池鮮少有人對其做定義性的說明，一般人常將其與景觀池或是生態教材園 混為一談。然就文獻論述的發展得知，校園生態池的理念係來自淡水生態系中的溼地 (Wetland)理念 [4]。因為溼地的生態與淨化水質功能開始被大量研究所證實，因此溼地也 被拿來當作環境與生態教育的最佳題材。然台灣受限於地狹人稠，一般都市鮮少有溼地 生態可做為學生實地學習之機會，故學校的校園規劃則常以生態池之設置來做為濕地的

「微觀」教學。可將校園生態池定義如下，「校園生態池係從生態學的角度所規畫的實體 建築，而其採行的工法設計應符合生態之設計來達成動植物棲息的環境目標，其設置、

規畫與管理應同時兼具生態、環保與教育等複合功能。」

王秀娟、陳貞譁 [5]歸納校園生態池的定義為:「在校園中天然存在或人工開挖模擬 自然濕地、湖泊、池塘、水田、埤塘、溪流等水域環境，具有生物與非生物間互動循環 的食物鏈過程，為生物棲息之小型生態系空間，並可提供生態教育、示範及景觀美化功 能之水域環境。」

2.1.2 校園生態池的種類與營造理念

學校設置生態教材園的目的在提供學生實際觀察、操作、記錄的機會，體驗探究大 自然的奧秘，培養對於生命的尊重與關愛，亦兼顧校園的美化及綠化。現今校園生態池 因功能的差異，及營造方式不同而出現各種類型。本研究參考詹建平 [6]依水體流動特性 將水池分成如表2-1所示:

表 2-1 依水體流動特性將水池做分類

河流式生態池 a.將生態池開闢為河流形式，從上游到下游都可種植水生植物。

b.採用土渠模式，對水中生物及兩棲類具有正面效益。

c.特別適合小型挺水植物及沉水植物。

d.符合現實的生態環境。

e.缺點:需較大校園面積，且容易引進無法控制的強勢外來生物。

池塘式生態池 a.分為圓形池（美觀設計）、方形池(單種植物)、不規則型(多樣化)等。

7

b.搭配人工浮島之設置，上部供動物棲息，下半部的植物根系供魚類卵 泡附著其上，對遊憩、生態皆有助益。

c.池塘水深需考慮水生植物或動物的生存環境，考慮其安全性、是否使 用過濾裝置、池底材質等。

d.易於管理。

綜合式生態池 a.綜合河流式、池塘式生態池之設計，創造一個完整的水生植物生態情 境。

b.在河流式生態池渠道側邊開口設置池塘式生態池，水深以一公尺以內 為宜，栽培各種植物，使生態更為豐富。

張惠莉[7]透過調查與訪談十五個學校的生態池，依教育、生態、規劃主體性三個面 向，將校園水生植物池類型分為如表 2-2 所示:

表 2-2 依教育、生態、規劃主體性三個面向，將校園水生植物池類型做分類

景觀型 a. 與教育無直接相關。

b. 傳統綠化的方式。

c. 完全依規劃者的意見。

教材資料庫型 a. 仍以傳統教育在教室內進行教學的思考為主。

b. 傳統綠化的方式，水泥材質作為分隔區域。

c. 依規劃者及學校教師的意見。

仿生態型 a. 符合開放教育的空間開放與迎向大自然的精神。

b. 已有一些生態綠化的精神，但還有一些傳統綠化的影響。

c. 依規劃者及學校教師的意見為主。

生態景觀學習型 a. 符合開放教育的空間開放與迎向大自然的精神。

b. 生態綠化的方式。

c. 規劃者、學校教師、學生共同參與規劃或執行。

8

在王秀娟、陳貞譁的研究中採用張惠莉的校園水生池類型分類方式，利用電話 訪問及現地調查台北市 39 所有生態池的學校，所得到結論:教材資料庫池最多，生態景 觀學習池最少。生態景觀池為最接近「濃縮式自然環境」的生態池類型，應著重各種可 能之教學契機，因應環境及教學需求，整合改造既有景觀池及教材資料庫池。

生態池在設置時應考量所在地點的水源及日照是否充足，每天至少維持 5 小時以上 的日照，且應避開周遭有大樹的區位；在外型上應求彎曲、多變化；池底施作以底土壓 實方式，不宜採用水泥或磁磚 [8]。必須將生態池視為開放教育的思維，鼓勵學生走出教 室，親近大自然，切勿將校園生態池加裝圍籬，凸顯教育的封閉思維。

何晨瑛 [9]從教育部「台灣綠色學校伙伴網路計畫」之學校中選出 15 間國民小學做 研究，發現所調查的生態水池中，有三成以上以混凝土體做為護岸構造，期雖有砌卵石 作為表面構造，但卻在卵石護岸以混凝土填縫，使卵石護岸喪失了原有可作為多孔隙七 地的生態功能。

校園生態池規劃設計的原則: [10]

1. 水深:安全考量，因此水深不超過 60 公分，且應具有變化，可在 10 公分－60 公分間 配置不同比例，也可有小區域 100 深的地方，以利魚類過冬。

2. 形狀:應為彎彎曲曲、多變化，避免平直整齊之形式。

3. 池底:以粘土成分 40﹪以上之粘土 60-80 公分壓實即可防漏，粘土上層再鋪 30 公分之 砂質壤土，以利植物生長。不可使用水泥或磁磚等打底，並酌予挖溝、堆石、堆木塊，

放置多孔隙材料。

4. 植栽:依不同水深，種植原生濕生、挺水、浮葉、沉水等植物，周邊栽種親水之原生 地被、灌木、及喬木。

5. 池岸:水岸邊坡應平緩，並以自然之土壤、木材或天然石塊組成，邊緣緩和，切勿營 造邊緣垂直或過分整齊之堤岸。使用材質不可以是水泥或磁磚，應使用多孔隙材質、

9

多變化，以利動物之上下及棲息隱蔽。

6. 池中堆置物:可放置枯木、根株、石堆、枯竹，並使部分沉入水中，便於水棲昆蟲及 魚蝦生存，亦可形成水陸兩棲動物之天然通路及水鳥駐足點。

7. 生態島:考量生態池大小，池中可預設緩坡且彎曲的生態小島。

8. 流動水:利用自然水源之落差，以竹片、石材、水車等都可製造出流水效果，亦可使 用沉水馬達來進行水循環。

9. 日照:生態池池面每天應維持至少五小時的光照，以利各種植物繁殖生長，應避開高 大建築物或太近的大樹。

10. 動物的引進:可在水池完成後放養蛙類及魚類，但要防止福壽螺、巴西龜、等外來物 種。

11. 利用及保護:部分區域開放，大部分區域養護。

12. 水源及植生管理:水源及水量應設法使其清潔與穩定；池中及岸邊植物定期整理。

13. 隔離:不要裝置上鎖之門鎖或高大圍籬，讓居民、學生、一般遊客隨時可進入利用進 行觀察、學習及休憩。

以遠東科技大學為例，遠東科技大學於 94 年初利用學校現有的水利灌溉渠道，運石 頭堆砌成階梯式水道，護岸以多孔隙生態邊坡，種植適當的陸域水域植被(以本土原生殖 為優先考量)，在生態池周邊的空地種植草地及灌木，藉由生物多樣性的生態復育大面積 草地，以確保多樣化岸邊生物藏身、覓食、求偶、產卵、繁殖等功能的棲息環境。 [11]

排水設計分兩部分，一是溢水口，當水位到達所需高度，多餘的水由此處排出，溢 水口也需考慮給水方式，若各區給水獨立，溢水口也須分別設置；若各區的水相通，當 然只需一個溢水口。二是管理使用的放水排水口，此排水口需各區獨立，以便栽培植物 時作業，此排水口平常關閉，其高度應在池底栽培土之上，以防泥土堵住，失去其功能。

[12]

學校有寒暑假，這段時間管理上是一個空窗期，所以最好設定有定時自動開關，讓

10

水流有循環的時間，而給水方式有:仿河川、瀑布、噴泉、壁泉等。各小區的供水，可利 用連通管原理，只要在各壁側埋一水管，相連各區就會有等高的水，在設計時應留意，

或是各區分別設置出水口。

2.1.3 校園生態池的管理及問題

營造成功的生態池需要很多專業知識和技術，從規劃設計、施工、管理維護到後續 的監測都需要付出很多心力，特別是完成後的管理維護及後續監測，這樣才能真正達到 生態保育及環境教育的功能。

生態池應用過程中，應考量教學實際層面的構思，進入校園環境真實層面，所需面 對的必須加入人為因子與管理方式 [13]。如圖 2-1 所示 :

圖 2-1 校園生態池區域選擇考量圖 資料來源:整理自林可涵(2006) 校

園 生 態 池 區 位 選 擇

生態性

教學性

人為因子

管理方式

生物生長條件

吸引週圍生物

方便教師教學

誘發學習

人為破壞因素

學生安全考量

仿生態型

生態學習型

景觀型

添 加

11

校園生態池依據各校的需求有不同形式的設計，多能達到教學及觀賞的目的，在管 理上常缺乏專人專門照顧，若缺乏關注造成生長不良或優養化狀況，則失去當初設置生 態池的意義。校園生態池有必要長期給予管理與適當維護，葉錫鑫 [14]建議:

(1) 成立管理小組:可由熱衷生態環境的夥伴們共同參與，其成員對象可以很廣泛，諸如:

行政人員、教師、學生、家長志工、社區人士等。

(2) 定期清理維護:生態池因強勢物種、水質、水溫等的影響而失去功能，必須做定期清 理工作。清理工作可分為平常或定期，平時只需維持水的暢通、水面的乾淨、水質的 穩定度等，定期可半年或一年，撈除強勢物種，如布袋蓮、大萍。

(3) 防止放生魚蝦:隨時宣導與防止有人任意放生未經允許的水中生物，如:吳郭魚、美國 螯蝦、福壽螺。

(4) 引進各項資源:生態池的維護需要一群積極又熱心的人共同參與，而且是長期與不斷 投入的工作，需要持續有效的挹注。

優養化是--水體富營養化又稱作優養化，是指湖泊、河流、水庫等水體中氮、磷等 植物營養物質含量過多所引起的水質污染現象。由於水體中氮、磷營養物質的富集，引 起藻類及其他浮游生物的迅速繁殖，使水體溶解氧含量下降，造成藻類、浮游生物、植 物、水生物和魚類衰亡甚至絕跡的污染現象。 [15]

圖 2-2 優養化

資料來源:環境與水網站http://chemedu.pu.edu.tw/water/pollution/first/18.htm

12

林可涵彙整生態池管理管理方式如下:

1. 池底及水質維護

(1) 確認過濾裝置設置的必要性。

(2) 需進行水質監測，水質監測應一個月進行一次，監測項目為水溫、溶氧量、PH 值、

導電度、濁度等。

(3) 水池內的水若已汙濁或池底堆積泥砂，應將池水排空，予以清洗後再注入乾淨水。

(4) 水池進出口應維持暢通，保持正常水位及水流。

(5) 水池如有裂滲情形，應將水排空後修補或重新鋪設防水設施。

(6) 檢查水池內養殖動物的活動及存活情形，如活動及存活狀況不佳，應針對原因做 改善。

(7) 為保持水質潔淨，應隨時摘除變黃葉片、凋萎花朵、果實等。

(8) 藻類過多時易造成水質優養化，應在池中飼養一些蝌蚪、食藻動物，或每加侖池 水中加入一湯匙飽和的過錳酸鉀溶液，或在池中栽種足夠的水生植物，與藻類競 爭日照，抑制藻類生長。

2. 水生植物與動物之管理

(1) 初栽植水生植物不宜過深，後隨水生植物特性調節水深，生長區水流速度應保持 緩和。

(2) 如植栽經年，葉片失綠，則可在根部加錠劑肥料，或將鉀肥、油粕及黏土混合，

捏成團狀壓入土內。

(3) 當水生植物繁衍過多，產生擁擠現象，或因日照不足及通風不良，均易阻礙生長，

產生病蟲害，此時應除去植株外圍部分葉片或拔除部分植株。

(4) 水生植物的栽植，可考慮每種類型 3-5 種，並須避免植栽繁殖過於快速的種類(如 香蒲、李氏禾)。

(5) 為避免浮葉性與挺水植物繁殖過快，在其根部中，以盆子、建築材料或者是打樁 隔離。

(6) 校園生態池管理上，以校內師生共同維護管理之費用較低。

13

(7) 水棲動物的引入，可選擇適應力較強、當地常見的小型水棲動物，並須注意不可 超過棲地的容許量。較適合的種類如大肚魚、黑殼蝦、細蟌科治蟲等，蛙類則需 等環境狀況穩定，視棲地條件是否適合才能引入，可引入的種類如盤古蟾蜍、貢 德氏赤蛙。

吳青蓉、林晏洲[16]針對台北市八所有生態池的學校進行調查，在生態池維護管理的 情形上，多數學校的管理單位以工友居多(50﹪)、其次為總務處(33﹪)。在維護頻率方面，

大多數學校多為不定期或隨時去察看生態池。在生態池維護管理上常見的困難為「缺少 專業能力」(21.2﹪)，其次為「水位常不足」和「水生植物生長過度」(12.1﹪)。在需要 協助項目上，以「提供專業顧問」需求居多(43.8﹪)，其次為「增加人力協助工作」(31.8

﹪)及增加經費(18.8﹪)。

以遠東科技大學為例，遠東科技大學生態池於 2006 年 11 月正式啟用，目前生態池 後續的維護工作由通識教育中心主任督導，總務處及學生社團「生態研究社」執行，除 此之外，「生態研究社」已在校內進行建構生態池生物食物鏈式的系統，如培養蝸牛、放 養蓋斑鬥魚等。

生態池是模仿自然環境下的湖泊、池塘而營造出多種動植物共同生活的生態環境，

是一種動態平衡的生態系。要維持生態池的生態平衡必須有良好的工程規劃，包括池底 的基質條件，植物要素、多孔性空間、多種類環境及連續空間等條件，還要建立良好的 池水循環以及完善的後續經營，才能提供教師做為自然科教學的利器。然而在客觀與現 實條件的限制下，許多校園都無法達到上述基本要求，這時，虛擬實境確實可以擔負起 替代實質環境的責任，甚至在可控管的模擬環境因素中，能改善已具備生態池的校園在 經營管理上的缺失不足。虛擬實境可以讓學習者實際操作並從不同視角觀察的特性，更 是提供一個觀察探究、主動學習的環境，支援由做中學、情境式學習、建構主義學習等 理論。[17]

14

2.2 水中生物

「魚兒水中游，蓮葉水上搖，好多植物和動物生活在水裡。」這是翰林版國小自然 與生活科技四上的課本中的一句話。這個單元介紹了台灣的好山好水，從高山到海邊，

讓孩子認識水田、溪流、池塘、湖泊、灌溉溝渠、河口溼地、海岸等「有水的環境」。

台灣水域常見的生物有:白腹秧雞、貢德氏樹蛙、蓋斑鬥魚、宏冠水雞、田螺、泥鰍、

鯽魚、拉氏清溪蟹、香蒲、浮萍、台灣水龍等。水生生物的生活會受水質、水流、陽光 和空氣的影響，因此不同的水域會有不一樣的生物。

2.2.1 水生植物

自然界的水在陸地和水域之間呈現一種漸進式的變化，從水邊往陸地方向，土壤含 水量逐漸減少，植物對水分的依賴也逐漸減少，有些植物需要比較多的水分，有些植物 則可以生長在乾旱的沙漠地區。

水生植物之定義:「以水為生存及生長媒介的植物」 [18]，一般來說，水生植物就是 指「生長在水裡的植物」、「比陸生植物更依賴水」，像植物體完全沉在水中的金魚藻、葉 子飄浮在水面的睡蓮、完全漂浮在水面的浮萍、植物體部分伸出水面的荷花，可以說是 水生植物的代表。水生植物對於淨化水質有很大的幫助，同時也可提供兩棲類、魚類及 其他水棲動物躲藏生長的地方。

圖 2-3 水生植物分類表 水生植物的生活型

漂浮性水生植物

根固著性水生植物

沉水型植物 浮葉型植物 挺水型植物 濕生型植物

15

本研究參考李松柏 [19]對水生植物的研究，依生長環境、外在形狀特徵，分水生植物為 五大類(如圖 2-3 所)示:

1. 漂浮型植物：漂浮性植物又稱浮水性植物，整株植物漂浮在水面，容易受水流影響而 四處漂流。它的葉面通常較為寬廣，增加和水的接觸面，省植物體更容易浮在水面上。

代表性植物為：青萍、大萍、布袋蓮等。

2. 沉水型植物:這類植物完全沉浸在水中，植物體的根部固定在水底，莖、葉完全沉沒 在水中。沉水植物性植物的身體通常很柔軟，葉片的形狀較為細長、厚度較薄，以柔 軟的身軀隨著水流擺動。代表性植物為:水蘊草、金魚藻。

3. 浮葉型植物:植物體的根部固定在土壤中，葉由細長的葉柄支撐漂浮於水面，柔細的 葉柄能在水位變化時彎曲或伸展，使葉片保持浮於水面。代表性植物為:田字草、睡 蓮、台灣萍蓬草。

4. 挺水型植物:植物體僅根部或極少部分生長於水中，莖或葉挺生於空氣中。由於部分 植物體是伸出水中，因此植物體的支撐性較高，和陸生植物很類似。代表性植物:蓮 花、荸薺、蘆葦。種植蓮花來吸收上一個池子裡面的生物（像：魚），所排放的有機 質（糞便），因為蓮花是一種需要氮、磷、鉀的植物，正好可以拿來運用。

5. 濕生型植物:這類植物只是根部所生長的土壤含水量較高而已，因此在各方面的特徵 都和陸生植物差不多，不過水分飽和的潮濕土壤仍然是它們最佳的生長環境。代表性 植物:水丁香、田蔥、香蒲。

水質是直接影響水生植物生長的主因，在一般正常穩定的情況下，水生植物大多能 適應水域生態條件，不需要特別的施肥、灌溉照料，其族群即能穩定的繁衍於溼地環境 中 [20]。

水生植物常被劃分成「原生種」與「外來種」水生植物兩大類，「原生種」水生植物 顧名思義，即是台灣原生的水生植物，也就是水生植物的原住民。隨著近年本土意識與 生態議題逐漸受到重視，台灣原生水生植物逐漸嶄露頭角，尤其是台灣特有種類，如台 灣萍蓬草、台灣水韭等，以及瀕臨絕種的原生水生植物，如穗花棋盤腳、風箱樹等，都 成為熱門的討論與收集種植對象。

16

相對於「原生種」水生植物，「外來種」便是一個能見度較高的族群，這些在最近數 十年到百年間經由人為引進的種類，多具有觀賞或其他價值，因此也較為大眾所認識。

尤其近來最受廣泛討論的，便是被大力撻伐的布袋蓮、水芙蓉以及人厭槐葉萍等外來種 水生植物。這些被稱為「水生公害」的水生植物，主要是生長速度過快，可輕易長滿整 個水面，造成河道、灌溉溝渠阻塞，影響農地灌溉，甚至引發淹水，再加上侵略性強，

會影響其他水生植物的生長，造成其他水生物種的消失，因此每年都需花鉅額預算來整 治移除，增加不少社會成本。

然而許多外來種水生植物，也扮演了人們與水生植物之間的橋樑。例如荷花與睡蓮，

便是大家最熟悉的外來種水生植物，而常吃的空心菜、筊白筍，也是早期人為引進的水 生植物，因此並非外來種水生植物即非善類，只是在種植、販賣與居家觀賞利用時，更 須注意其侵略性及善後。譬如不種植、不販賣高侵略性水生植物，或是種植時須嚴加注 意不讓它外流到開放水域；而ㄧ般民眾買回觀賞，經一段時間植株變醜之後，不輕易將 植株棄置在水溝河流中，應該將它以家中垃圾來處理，以免影響水域生態。[21]

2.2.2 水生動物

水中的世界有了植物之後，自然而然的就會引來吃植物的動物，水生植物的種類越 多，吃植物的動物種類也就越是五花八門；有了這些動物之後又引來吃動物的動物，水 裡的世界就更熱鬧了。生活在水中的動物，大致上可以區分為兩棲類、爬蟲類、魚類、

甲殼類、 軟體動物和水棲昆蟲等。

1. 兩棲類:能在陸地及水中生長的動物，以青蛙為代表。青蛙幼體生長於水中(蝌蚪)，成 體才離開水中，可以到陸地生活，用腳游泳，用肺和潮濕的皮膚呼吸。

2. 魚類: 魚類生活在水裡，身體的外形可以區分為頭、軀幹、尾和鰭四部分。鰭是魚類 的運動器官和平衡器官，多數魚類會擺動鰭在水中游動，或是維持在一個固定的地方；

皮膚外層包著鱗片，有保護皮膚的作用，仔細觀察會發現到一或二條的側線；魚使用 鰓在水裡呼吸，所以，我們如果翻開鰓蓋，會發現魚的鰓總是鮮紅色的，嘴巴也總是 一開一闔的。代表性的魚類有:蓋斑鬥魚、孔雀魚、大肚魚。

17

在這個池子裡面，我們養魚來進行生產，而且養的這個魚也選擇以福壽螺為食的魚，

能夠減少環境的破壞，一舉數得啊！

在經常積水的水溝或水池養殖大肚魚或孔雀魚，就可以輕易控制蚊蟲的孳生。再加上 生態相改善後，生物間自動相生相剋，達到平衡，自然不會有蚊蟲大量滋生問題。[22]

3. 水棲昆蟲:昆蟲是這個世界上最有勢力的動物，陸地、空中、水裡都可以看到他們的 龐大家族成員。其中住在水裡的昆蟲，我們就稱為水棲昆蟲。像是紅娘華、豆娘、蜻 蜓、水黽、田鱉等。

4. 軟體動物:乾淨的水溝裡、河裡常常可以看見有螺類，慢慢的爬行，在水底的泥沙上、

石頭上留下一條條的痕跡。他們的身體柔軟，所以建造了一個能夠保護自己的殼，背 在身上帶著走；有的在螺口的位置還有螺蓋的構造，有的卻沒有螺蓋；它們使用能分 泌黏液的腹足，在石頭上爬行；用它特殊的嘴，刮下長在石頭上的水藻吃、啃食綠油 油水生植物，偶而，有落葉或是動物的屍體，也會給自己加菜，補充動物性蛋白質。

5. 甲殼類動物:河裡除了魚類之外，最令小朋友歡喜的小動物還有蝦子和螃蟹。蝦子和 螃蟹的身體，外面都有硬殼保護著，可以大分為頭胸部、腹部；身上的腳多的不像話，

總共有五對，也就是有十隻腳，有的用來走路，有的用來保護自己的地盤。蝦子、螃 蟹是水裡的清潔人員，水草、動物屍體、體型比它小的小動物，都是它的美味佳餚；

但是，有的可是捕捉獵物的高手。

6. 爬蟲類動物:烏龜、鱉和蛇他們的身體外面有堅硬的鱗片、甲殼或盾片，保護它們的 身體，保存足夠的水分；以產卵的方式繁殖後代。

在校園裡，有些常見的動物其實並不是在台灣土生土長的，它們從世界各個地方而 來，有的是因為有觀賞價值，有的則作為食用用途，但是後來因種種原因而讓它們流落 出去，大量繁殖的結果，反而侵害到台灣本土的動物。

(1) 牛蛙的繁殖力強，成體和蝌蚪都會捕食其它種類的青蛙，對本土蛙類族群的生存有很 大的威脅。

18

(2) 美國螯蝦及外來淡水魚等水生動物，已成為本土原生種魚類日減、甚或滅種的主要因 素之一。

(3) 吳郭魚對環境之適應能力強，繁殖力強，具挖巢護幼或口孵護幼之習性。對本土魚種 威脅甚大。

(4) 福壽螺並非台灣原生種，當初為餐飲業所引進，後來因為不受歡迎而棄置鄉野，沒想 到卻使得福壽螺的數量大增，對農作物造成很大的危害。

如果生態池和外界溝渠有串聯，可做為野生動物自然進入的途徑，或者等待生態 池完成植栽，小規模放養台灣原生物種[23]。

2.3 濃縮式自然生態環境

「濃縮式自然生態環境」的概念是由杉山惠一[24]所提出，濃縮式自然生態環境是指 在有限的基地面積內，輔以人為的力量，使其孕育出多種且多量的生物資源，並將這個 空間做為小生物的棲地。小生物棲地規劃的意義在創造多樣性生物環境，以便增進多樣 性遺傳基因、多樣性物種、多樣性生態系環境。

此種概念在台灣自然生態環境越來越貧瘠的都市區域來說，是生態保育工作上最可 行的辦法。由於國民小學校園水域面積有限，此種濃縮式自然生態環境當然成為校園生 態池發展的一個有效立論基礎。主要生態設計的組成元素包括:基質條件、植物要素、多 孔隙空間、多種類環境、連續空間等五項條件[25]。

1. 基質條件:指環境中地形、土壤等可承載生物之基本條件，應注意創造多樣化的地理 條件及保全水域中之底泥，提供生物生長所需之元素。

2. 植物要素:綠色植物是食物鏈中的生產者，提供生物所需的能量。在選擇植物種類時 應為原生物種，並且抑制外來種與強勢族群，於水岸邊水陸植物以多層次栽種，可創 造多樣性的生態效益。

3. 多孔隙空間:「多孔隙生物棲地」設計，就是以多孔隙材料疊砌，並有植生攀附的邊 坡、圍牆或綠籬，或是在圍牆隱蔽綠地中堆置枯木、亂石、空心磚、瓦礫的生態小丘，

19

以人為力量營造小生物藏身、覓食、築巢、繁殖的小生物世界，藉以營造適合生物多 樣化生長的棲地環境 。

4. 多種類環境:環境的多樣性保有越多，就越能保有不同的生物資源。如堆積落葉，造 成有機分解；創造窪地提供蛙類、小型魚類與水生昆蟲棲息；配置水域、土丘、淺沙 灘、草地等各種族群，創造各種生活環境。

5. 連續空間:強調水域環境的連續，藉由連接校園中的綠地與水域，增加生物族群交流 機會。

在水泥叢林般的都市中，校園綠地宛如許多漂流在其中的綠色島嶼，是都市生態綠 網不能或缺的部分，提供生物一個塊狀的棲息空間，是「生態島嶼理論」的綠塊棲地 [26]。而綠地豐富的校園，若能妥善規劃生態教材園，則可提供都市中為數不多的野生動 植物生活棲息之處，或是針對保育類動植物進行相關保育行動並配合教學活動的實施，

達到生態保育的目的。如圖2-3、2-4:

圖2-4 濃縮式水域生態示意圖 [25]

圖 2-5 濃縮式自然生態環境概念圖[26]

20

葉茂森[27]也提到，校園生態資源設施規劃時需重視生物多樣性原則，並配合當地環 境，盡量採用原生種生物；不要太過人工化，盡量以自然方式呈現，以傳

達人與環境和諧相處之意涵；結合地區特色，素材使用上，包括植栽及建材，盡量以樸 實的及當地的素材為主，以配合該地區的生態環境，同時注意環境保護之規劃。

「生態工法」就其字面意涵為，採用合乎自然生態原則之施作方法。生態工法[28]

原則上應以研究某區域或周邊範圍生態系生物與環境相關性之基本資料調查為基礎，瞭 解生態系內生物與其生存基本要素(如大氣、水、地質、日照、食物鏈等)之相互依存關係，

強調生態結構之穩定、生態環境之多樣性，以及生物棲息廊道連續性之創造工法為目標，

所進行之相關措施及工程。生態工法施作時所用的材料，若能善加利用施工現場或附近 現存的塊石、木材等天然資材，將資材靈活運用組合，以達到生態保育的效果。

本研究參考劉金山整理河道生態工程的設計，主要有六項原則:

(1) 表面孔隙化: 營造小生物藏身、覓食、築巢、繁殖的小生物世界。

(2) 構造物最小化:減少人為干擾，減少對環境的衝擊。

(3) 坡度緩坡化:降低坡度，讓生物容易遷移。

(4) 材質自然化:自然的砌石、植被是進行工法時最好的材料。

(5) 界面透水化:讓水能滲入土地，對水土保持很重要。

(6) 邊界指狀化:指狀交合之曲狀型式與周圍環境之接觸界面較大，物種有更多機會進行 活動。

2.4 TRIZ 創新理論相關運用

TRIZ 所代表的意思是「發明性問題解決理論」(Theory of Inventive Problem Solving) ， TRIZ 主要理論係建立在前人的智慧上，即追隨前人思考的軌跡，萃取前人發明中的原理，

並歸納成一般的通則，做為往後問題解決時的思考方向。TRIZ 是一種可提升創意思考、

創新發明、研發能量，並能解決衝突問題的方法。目前 TRIZ 的應用範圍廣泛，將問題透 過系統化思考方式成功的決問題，對於工程技術提升及發明有很大的幫助。

（1） TRIZ 方法結合綠色設計之應用－以衣夾為例[29]

21

本研究對象為日常生活中常用的衣夾，以綠色設計(Green Design)為理念，並結合創 新思維TRIZ 方法為基礎，進行市場調查與參考專利檢索中針對衣夾部分整理，而發想可 行之設計方案，且以實際的雛型呈現，以改善塑膠材質衣夾對環境所造成的危害，及鐵 質箍型環產生銹液沾汙衣物的問題，進而闡述綠色設計理念與TRIZ 方法之可行性與優越 性。不僅改變塑膠衣夾所造成的環境負荷，並改變其材質改成較環保易回收的台灣桂竹，

使資源的耗損減少，達到環保的目的，並落實實踐及推廣環保意識。

(2) 利用 TRIZ 方法來探討專利之個案研究 [30]

本研究用一個專利案例－好神拖，介紹分析其三項專利內容與差異，然後將三項專 利思考原先的問題點，套用四十發明原則及運用質場分析、76 標準解，進行專利解釋，

得到拖把頭 360 度旋轉及零組件分割的解決方法。

(3)以 TRIZ 探討家庭自動化技術發展之趨勢 [31]

透過 TRIZ 理論的系統性分析，來探討一個家庭自動化所面臨的種種問題，透過分析 矛盾關係，藉由 TRIZ 所提供的「矛盾矩陣」與「76 標準解法」來剖析未來家庭自動化 趨勢可能的發展方向。本研究針對「操作環境效率」「網路裝設與維護」「網路安全與隱 私」等問題探討，尋求未來家庭自動化發展趨勢的解決問題方向。

(4)萃思 TRIZ 方法的實務應用－以液晶螢幕翻轉裝置為例 [32]

本研究應用 TRIZ 中的矛盾矩陣、39 參數、40 發明原則、演化趨勢與演化線圖、資 料庫資源方法、理想性分析及物－場分析，對液晶螢幕翻轉裝置做系統化的探討與改良。

經由 TRIZ 方法分析改善出新一代液晶螢幕翻轉裝置，增加使用壽命及降低成本，並向智 慧財產局申請專利，已獲核准通過。

（5）運用使用性工程與 TRIZ 於外購餐飲容器之創新設計研究－ [33]

台灣飲食多為湯湯水水的食物，外食人口多，盛裝時多使用塑膠袋或免洗餐具。本 研究收集各種資訊，設計一新型外購容器，希望使消費者願意長期使用，符合環保永續 的理念。在分析出使用者期望後，藉由 TRIZ 矛盾設計，完成圖面畫設計，並與專家訪談 來審視、修正與設計變更，得到一符合大眾需求的外購食物容器產品。

（6）應用 TRIZ 理論於通用設計:以蛋糕刀為例－ [34]

22

本研究使用專利文獻資料分析法，再依通用設計原則確立問題，利用 TRIZ 理論，以 矛盾矩陣導出發明原則，解決問題。由歷年得獎台灣通用設計 50 選中之「蛋糕刀」專利 文獻為例，以 TRIZ 為基礎建立的通用設計矛盾矩陣，結果可將發明原則提供通用設計的 創新創意設計使用，這樣的架構是可行的。

（7）應用 TRIZ 方法提升行動電話送修服務之研究－[35]

本研究針對提升廠商手機的維修速度和完修率及維修品質做一個探討，運用 TRIZ 理論中的矛盾矩陣和問題層級分析等方法，分析手機主要送修的原因和問題，並加以改 善，以提升維修速度和完修率及降低重複回修率，提升手機維修品質，進而增加消費者 購買的意願。

（8）運用質場分析法與型態分析法於車輛求救警報裝置之設計－ [36]

本研究採用 TRIZ 的質場分析法，分析在車輛中未下車人員遭悶死事件發生的致命因 素，再藉由型態分析法蒐集所有可能的解答方案，希望能及早發現進行救援，避免悲劇 的發生。本研究經 TRIZ 方法產生設計構想後，進行模型測試，接著進行實際車輛之使用 測試，結果顯示在工程實作上具體可行。

（9）TRIZ 創新設計運用在衣架之改良－ [37]

本研究針對衣架進行專利檢索、分析，再使用 TRIZ 理論對衣架做問題分析，使用矛 盾矩陣中的 39 工程參數和 40 項發明原則，找出可能的解決方案來做創新改良，再加入 通用設計的七大原則，最後使用 SolidWorks 分析產品製造可行性，設計出一個大眾所需 之產品，即折疊伸縮衣架。

（10）TRIZ 理論在高功率 LED 散熱的應用－ [38]

本研究以發光二極體 LED 的散熱技術為研究對象，經由 LED 散熱技術專業分析，

歸納出其欲達到的功效，再利用 TRIZ 理論的 39 個工程參數，透過矛盾矩陣來尋求特定 解，改善產品功能。

(11)建構滿足客戶與創新的綠色產品研發機制－以某國內電子企業為例[39]

23

國內各產業競爭激烈，企業必須不斷的創新，符合客戶需求，但也要考量綠色環保 問題，以追求永續發展。本研究結合 TRIZ、生態效益、模糊歸屬函數等管理工作，建立 產品研發，考量客戶需求產品創新與綠色環保，找到最適方案遴選機制，設計出滿足客 戶需求與創新的綠色產品。

(12)應用系統性的創新理論於校園生態池之改善－以光明國小為案例探討[40]

本研究透過文獻研究，將生態池的濃縮式環境，生態池的定義、類型、營造理念，

生態工法做一個回顧。以新竹縣光明國小為案例，透過生態池的生態環境分析，解析出 光明國小生態池的問題:(1)生態池與周遭環境的改善；(2)增進水流降低優養化速率；(3) 強化生物多樣性之環境設計；(4)生態池的永續發展等四個問題，運用 TRIZ 的技術矛盾、

40 發明原理、物理矛盾、分離原理、物－場模型分析與 76 個標準解等工具來進行研究，

歸納出最佳的解。

24

第三章 TRIZ 基本原理分析

應用 TRIZ 的效益可以縮短創新的過程，是一種解決問題的工具，對產品製造過程 能有所改善，透過問題的分析，可在最短的時間產生更多的想法及問題解決方案。本章 將針對 TRIZ 的背景及理論基礎做一個探究，運用 TRIZ 的解決問題工具進行校園生態池 的改善，期待校園生態池展現新風貌。

3.1 TRIZ 的簡介

TRIZ 是俄文 Teoriya Resheniya Izobretatelskikh Zadatch 字首的縮寫，TRIZ 英文全名 為”Theory of Inventive Problem Solving”，依據字面的意義解釋成:創新(發明性)問題解決 方法之理論，或是簡稱為”萃思”或”萃智”。 Inventive Problem 意謂一個問題至少包含一 項的衝突或矛盾，而其解決的方法未知。而 TRIZ 是一種問題解決(Problem Solving)的工 具;TRIZ 是一種哲學，一種系統化的思考方式，以及許多工具(例如四十項發明原則、矛 盾矩陣等)所組成的。[41]

3.1.1 TRIZ 的背景

Genrich Altshuller(1926~1998)身為前蘇聯的海軍專利審查員，從專利審查中，研讀了 許多前人的智慧結晶，進而發展出對人類有所貢獻的 TRIZ 理論。

在各種解決問題的方式之中，統的腦力激盪(Brain Storming)的方式容易發散或是原地打 轉，不容易找到答案；實驗設計式的方法容易耗用資源，努力地找出答案，卻往往事倍 功半；而系統化的創新方法 TRIZ，強調發明或創新是可依照系統性的方法，參考前人成 功的案例來找出問題的解答，直指目標。

1. 真理奇．阿舒勒認為我們的經驗幫助我們得以生存，我們分享經驗給與我們的孩子，

動物也是這樣做。我們從長者的經驗中知道許多生活事件的模式，和其相關問題的解 決辦法，但當生命創造許多沒有明確答案或解決方案的不尋常情況，生活並不會總是 寬容你的錯誤，少數的錯誤決定可能會傷害、甚至毀滅我們。

2. 科技的優點是使我們的生活便利、更舒適，缺點是破壞環境和生態。科技的存在能創 造便利舒適的生活環境，但為了拯救我們的生活環境，科技也不應該存在。科技是一

25

種演進和創造的成果嗎?科技系統演進的速度非常慢，幾乎所有人類史上偉大的科技 發明都來自少數智慧人是偶然的創作。

3. 真理奇．阿舒勒是一位蘇聯海軍的專利專家，他的工作是幫助發明人申請專利，也經 常被要求協助解決問題。他對解決這些問題充滿好奇心，促使他找到工具和方法來解 決問題。使用創造力和想像力的確能帶來很大的好處，但要及時產生有效、高效率，

而高品質的創建發明，只靠創造力和想像力是不夠的。

4. 真理奇．阿舒勒開始分析專利，從中研究發明家如何創造發明。他很幸運，因為科技 有專利文獻，在那裏可以找到有關發明的細節。經由專利分析，發現成千上萬的技術 開發人員和科學家如何解決複雜問題，比方說如何創造蒸汽機、雷射、網際網路等傑 出發明。現在阿舒勒有一個答案:我們應該利用成千上萬優秀發明家和科學家的經驗，

建立一個科技演進的完整科學。

5. 接下來阿舒勒篩選了 20 萬項專利，尋找解決方案和分析產生專利的方法。阿舒勒定 義為一個具有創意性的問題，其中一個參數變化是在衝突與另一參數的過程或產品。

阿舒勒稱這種衝突的系統矛盾(system contradiction)。阿舒勒定義了 39 個常用的參數 和四十個發明原則，創造了 TRIZ 的第一個實用有效的工具。在 80 年代，TRIZ 的結 構全部完成。[42]

3.1.2 TRIZ 理論體系

1.八大進化法則:預測技術系統進化模式和產品成熟度；

2.最終理想解:系統的進化總是向著更理想化的方向發展；

3.40 個發明原理:250 萬份專利背後所隱藏的共性發明原理；

4.39 個工程參數和矛盾矩陣:為解決問題直接提供化解矛盾的發明工具；

5.物理矛盾的分離原理:分離原理是針對物理矛盾的解決而提出的；

6.質場模型分析:用於建立與已存在的系統或新技術系統問題相聯繫的功能模型；

26

7.發明問題的標準解法:5 級共 76 個標準解法，可以將標準問題在一兩步中快速進行解 決；

8.發明問題標準演算法(ARIZ):針對非標準問題而提出的一套解決演算法；

9.物理效應和現象知識庫:將物理現象和效應應用在問題解決的過程中。

圖 3-1 TRIZ 理論體系

3.2 TRIZ 創意 40 發明原則

阿奇舒勒堅信發明問題的原理是客觀存在的，設計者掌握這些原理，就可以大大提 高發明的效率、縮短發明的週期，而且能使發明過程更具有可預見性。為此，阿奇舒勒 對大量的專利進行研究、分析、總結、提煉出了 TRIZ 中最重要的、具有普遍用途的 40 個發明原則。

40 原理是經過分析數十萬專利所得的創意原理，也是 TRIZ 理論中最容易瞭解的工 具，學習創意 40 原理，可學習發明家的創意思考技巧。運用 40 原理於日常生活所接觸 的物件，可以破除心理因素所形成的創意障礙，訓練類比思考，因此可大幅增進創意思 考的能力。而當 40 原理與 TRIZ 理論中的矛盾問題結合，更是解決問題的利器。

40 原理與 TRIZ 的其他解題工具:76 標準解(Standards)與物理效應知識庫(Effects)有 產品創新

技術系統 進化法則 質場模型分析

40 個發明原理

最終理想解

發明問題解決演算法

發明問題標 準解法

科學原理 知識庫

矛盾矩陣 創新原理

物理矛盾 分離法

27

許多關聯相似之處，深入了解 40 原理可做為學習其他 TRIZ 理論的基礎。

40 原理是用來解決技術矛盾的工具，對科技系統或在科技系統內部進行操作的最根 本方法。例如原理一(分割原理)，建議找出從科技系統中將某元件分成很多很小的互相關 聯的元件。

例:怎樣預防釘子刺破輪胎?分割原理提出將輪胎表面做成很多很小很小的元件－－

成千上百、甚至上萬個元件。

熟讀 40 原理，將使我們學到無數解決技術難題的方法而無需做任何妥協。利用哪一 種方法，只需工程師自己決定。所以本研究針對 40 原理做一個詳細說明，讓我們在實際 運用時能更得心應手。(如表 3-1 所示)

表 3-1 TRIZ 的 40 發明原理與原則

發明原理 原則

1.分割原理 a.將物體分成幾個互相獨立的部分。

b.將物體分成幾個可組合的部分(便於安裝與拆卸)。

c.提高物體分割的程度。

2 分離原理. a.分離物體中「干擾」的部分或性質。

b.從物體中分離出「必要」的元件或特性。

3.改進局部性質原理 a.將均質結構的物體或外在環境，轉變成非均質結構的物 體或環境。

b.物體不同部分應執行不同的功能。

c.物體的各個部分應放置於操作上最合適的狀態。

4.非對稱性原理 a.已非對稱性取代對稱性。

b.假如一物體已經非對稱，可進一步加強其非對稱性的程 度。

5.合併原理 a.合併空間中具有相同特性的物體，或合併需要連續操作 的相關物體。

b.將一致或連續性的操作，合併於同一時間作用。

6.萬用性原理 a.一件物體能夠執行數種不同的功能；因此，可以移除他 部分。

7.套疊結構原理 a.一物體放置在另一物體的內部，另一物體又被放置在第 二件物體內部……依此類推。

b.一物體通過另一物體的空隙。

28

8.平衡力原理 a.利用其他提供升力的物體，平衡物體的重量。

b.利用環境產生的空氣動力或液體動力平衡物體的重量。

9.事先的反向作用原理 a.事先對物體加以反向壓力，以避免事後產生過度或負面 的影響。

10.預先行動原理 a.事先對物體作部分或全部的改變。

b.事先放置物體，在必要時可從最方便之處立即發揮作 用。

11.預先防範原理 a.事先預置緊急防範措施，補救可靠度相當低的物體。

12.等位能原理 a.改變工作狀態不需升降物體。

13.反向操作原理 a.不用直接的解決方法，反其道而行。

b.使運動的部分或環境靜止；使靜止的部份運動。

c.將物體顛倒放置，或以相反方式操作。

14.球面化原理 a.以彎曲部分取代直線部分，以曲面取代平面，以球體取 代立方體。

b.利用滾輪、球形及螺旋。

c.利用離心力將線性運動變為圓周運動。

15.動態化原理 a.改變物體或環境的特徵，使操作的各階段都能達到最佳 性能。

b.假如物體固定不動，使它變為動態的、增加運動性。

c.分割物體成為可改變相對位置的不同部分。

16.部分或過度的動作原理 a.假如難以達到 100﹪想要的效果，就做到更多或較少的 理想效果。

17.轉換到另一個維度原理 a.將一物體的運動或放置，由一維變成二維、二維變成三 維，以此類推。

b.利用物體的多層結構。

c.將物體傾斜或豎置。

d.利用物體表面的另一面。

e.將光線投射到物體相鄰的區域，或物體的反面。

18.震動原理 a.利用週期性震盪。

b.如已有震盪存在，增強頻率達到超音波。

c.使用共振頻率。

d.使用壓電震動取代機械震動。

e.結合超音波震動與電磁場共同使用。

19.週期性作用原理 a.以週期性作用取代連續作用(脈衝法)。

29

b.假如已經是週期性作用，則改變作用頻率。

c.利用脈動間的暫停，提供附加功能。

20.連續的有用作用原理 a.不間斷持續作用。物體的各個組成部分持續保持滿載狀 態運作。

b.移除閒置及中間的部分。

c.將來回運動改為轉動。

21.快速原理 a.加快危險與有害的操作。

22.改變有害成為有用原理 a.利用有害因素(特別是環境方面)來達到有利結果。

b.將一有害因素與另一有害因素結合，抵銷有害因素。

c.增加有害運作的程度，以達到無害的狀態。

23.回饋原理 a.加入回饋機制。

b.如果回饋機制已經存在，試著改變回饋模式。

24.中介物質原理 a.使用中介物質轉移或執行一個動作。

b.暫時將原來的物體雨很容易移除的物質相連接。

25.自助原理 a.物體能自我服務、並執行輔助和修補功能。

b.利用廢棄的物質和能量。

26.複製原理 a.用簡單、便宜的複製品，取代不適於操作的易損、易碎 的物體。

b.用紅外線或紫外線儀器，取代可見光儀器。

c.用光學圖像，取代單件或系列物體，且圖像可放大縮小。

27.可拋棄原理 a.用便宜的物體，取代貴重的物體；在其他性能上稍作妥 協。(如:使用壽命)

28.取代機械系統原理 a.用光學、聲學、熱學及味覺系統，取代機械系統。

b.運用電場、磁場及電磁場，和物體進行交互作用。

c.變換下列場:用運動場，取代靜止場；用隨時間變化的 場，取代靜止不變的場；用結構化的場，取代隨機的場。

d.運用場和強磁性物質。

29.氣動或液壓原理 a.用氣體或液體，取代物體的固體部分；利用空氣和水產 生膨脹，或利用氣體和液體產生緩衝。

30.彈性膜與薄膜原理 a.用彈性的薄膜取代普通的結構。

b.使用彈性膜或薄膜，將物體和外部環境隔開。

31.孔隙物質原理 a.在物體上加孔，或利用輔助的有孔材料。

b.假如物體已經是孔狀，事先在孔中填充入相應物質。

32.改變顏色原理 a.改變物體或環境的顏色。