第二章机械创新设计的思维基础

沈阳大学教案课程名称机构创新设计编写时间：2010年8月25日授课章节第二章机械创新设计的思维基础目的要求了解思维的类型和思维方式重点难点掌握几种常用的机械创新设计方法教案内容：第二章机械创新设计的思维基础1、创新思维⑴创新思维的特点①开放性封闭性——习惯于从已知经验和知识中求解，偏于继承传统，照本宣科。开放性——敢于突破定势思维，富有改革精神。②求异性求同性——人云亦云，照葫芦画瓢。求异性——与众人、前人不同，独具卓实的思维。③是非显而易见性的显而易见性——答案可预见。非显而易见性——答案具有意想不到的特征。⑵创新思维的过程①准备阶段：发现问题→分析问题→搜集问题→形成课题。②酝酿阶段：明确创新目标→继续收集资料→从事试验或研究→尝试各种想法的可行性。若问题简单，可能会很快找到解决问题的办法；若问题复杂，可能要经历多次失败的探求；当阻力很大时，则中断思维，但潜意识仍在大脑深层活动，等待时机。③顿悟阶段：是创造性思维的突破阶段。创造主题在特定情境下得到特定的启发，被唤醒。该阶段的作用机制比较复杂，一般认为是与长期酝酿所积蓄的思维能量有关，这种能量会冲破思维定势和障碍，使思维获得开放性、求异性、非显而易见性。③验证阶段：创造性思维不仅注重形式上标新立异，内容上也要求精确可靠。⑶创新思维的突变方式①联想思维：指思路由此及彼的连接，既由所感知或由所思的事物、概念或现象中，而想到其他与之有关的事物。是正常人都具有的思维本能。要善于联想，必须要掌握一定的联想方式：相似联想——由一事物或现象刺激，想起与其相似的事物或现象。主要体现在时间、空间、功能、形态等方面相似。相似中很可能隐含着事物之间难以觉察的联系。相关联想——利用事物之间存在着某种连锁关系，一环紧扣一环的进行联想，是思考逐步地进行逐步的深入，从而引发出某种新的设想。对称联想——在同脑中可以根据事物之间在形状、结构、性质、作用等某个方面存在着的互不相同，或彼此相反的情况进行联想，从而引发出某种新设想来。第2次第1页沈阳大学教案（续页）课程名称编写时间：20年月日②想象思维：人在头脑中塑造过去未曾感触过的事物的形象，或将来才可能实现的事物的形象。想象思维可以帮助人发现问题，依靠想象的概括作用，可帮助人们在头脑中塑造新概念、新设想；想象是理性的先驱，想象可以帮助人们反思过去，展望未来。埃因斯坦曾说过：“想象力比知识更重要，因为知识是有限的，而想象力概括世界上的一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉。严格的说，想象力是科学研究中的实在因素。”想象的类型包括：组合想象——指在思维者的头脑中对某些事物形象，或者整个的、或者部分的抽取，再根据某种需要将其组成另一种有自身结构、性质、功能与特征的新事物形象。充填想象——指思维者在仅仅认识了某事物的某些组成部分或某些发展环节的情况下，头脑中通过想象，对该事物的其他组成部分或其他发展环节加以填充补实，从而构成一个完整的事物形象。预示想象——根据思维者已有的知识、经验和形象积累，在头脑中构成一定设想或愿望的，虽然还不存在，以后却有可能产生的某种事物形象。(幻想)导引想象——思维者通过在头脑中具体细致的想象和体验自己完成某一复杂艰巨任务正进行顽强努力，以及完成任务后的成功情景与喜悦心情，从而高度协调发挥自身潜在的智力与体力，以促进任务的顺利完成。（意念）③灵感思维：是指思维者在实践活动中因思想高度集中而突然表现出来的一种精神现象。灵感具有突发性、瞬间性、情感性（伴随激情）等特点。捕捉灵感的主观条件：积累—扩大知识面，让大量信息深烙在脑中，形成强大势能，一经触发，便可能转化为突变动力。迷恋——使自己兴趣、主义、情感和思维都集中在与要解决的问题相关方面上来。松弛——暂时松弛有利于消化，利用和沟通已得到的全部资料，有利于冷静的回味以往的得失和线索，有利于恢复大脑的疲劳，并使其再度兴奋，并发挥其潜意识作用。触发——经长时期紧张思考，大多数问题已解决，但关键环节却卡住了，若此事出现相应的偶然诱因作为触发，问题即可获解。激发灵感的方式：自发灵感——是指在对问题进行较长时间思考的执着的探索过程中，需随时留心或警觉，所思考问题的答案或启示，有可能在某一时刻在头脑中突然闪现。诱发灵感——是指思维者根据自身、生理、爱好、习惯等诸方面的特点，采取某种方式或选择某种场合（例如散步，沐浴听音乐或演奏等，西方有所谓三b思考法，即bed（床），bath（沐浴），bus(公共汽车)，有意识地促使所思考问题的某种答案或启示在头脑中出现。触发灵感——是指思维者在对问题已进行较长时间思考的执着探索过程中，需随时留心和警觉，在接触某些相关或不相关的事物时，有可能引发所思考问题的某种答案或启示在头脑中突然闪现。根据多人经验，同人交谈，经常能起到触发灵感的作用。因为每个人的年龄、身份、文化程度、知识结构、理解能力等各不相同；思考问题的特点、方式和思路也会有差异。在交谈中，不同的思路、思考方式和特点互相融汇、交叉，碰撞或冲突，就能打破或改变个人原有思路，是思想产生某种飞跃和质变，迸发出灵感的火花。这是一个齐次二阶常系数线性微分方程第2次第2页沈阳大学教案（续页）课程名称编写时间：20年月日逼发灵感——指情急能生智，在紧急情况下，不可惊慌失措，要镇静思考，谋求对策，解决某种问题的答案或启示，此时有可能在头脑中突然闪现。被西方誉为创造学之父的美国人奥斯本曾说过：“舒适的生活常使我们创造力贫乏，而苦难的磨练却能使之丰富。”在感情紧张状态下，构想的涌出多数比平时快。……当一个人面临危机之时，想象力就会发挥最高的效用。”④多方向思维：从同一来源材料出发，产生为数众多且方向各异的输出信息的思维方式；或从不同角度进行构思、设想。发散思维——从某一思维点出发，运用已有的知识、经验，通过各种思维手段，沿着各种不同方向去思考，重组信息，获得信息。然后把众多的信息逐步引导到条理化的逻辑中去，以便最终得出结论。横向思维——是相对纵向思维而言，纵向思维是利用逻辑推理直上直下思考，而横向思维是当纵向思维受阻时大脑急转弯，即换个角度想。这样可以让人排除优势想法，避开经验、常识、逻辑等，它能帮助思维者借鉴表面看来与问题无关的信息，从侧面迂回或横向寻觅去解决问题。逆向思维——是相对正向思维而言，正向思维是一种“合情合理”的思维方式，而逆向思经常有悖情理，在突破传统思路的过程中力求标新立异。运用逆向思维时，首先要明确问题求解的传统思路，再以此为参照，尝试着从影响事物发展的诸要素方面（如原理、结构、性能、方位、时序等）进行思维反转或悖逆，以寻求创见。⑤逻辑性思维和非逻辑性思维：逻辑件思维是按已知概念、定义和某种规定，通过对思考对象进行比较、判断、归纳和总结等方法来认识事物、推断事物的思维模式；逻辑性思维的特点在于共有序性、递推性。它是一种严密的思维方式，是人们掌握较好的一种常规思维力式。其思维的一般过程可用图所示框图表示。非逻辑性思维是指逻辑性思维以外的各类思维模式。非逻辑件思维的最大特点是思维的随意件和跳跃性，它不受任何“秩序”的约束，表现出极大的灵活性。提问：如何能在不采用倾倒的方法将水杯中的水弄出来？非逻辑性思维包括：形象思维、发散思维、逆向思维、侧向思维、联想思维、灵感思维等思维模式。在创造件活动中非逻辑性思维发挥着巨大的作用，人类的很多成果都来自于非逻辑性思维。非逻辑性思维在选择创造目标、构思方案、开辟解决问题的途径等方面起着不可估量的作用。在创造性的活动中，谁的思维最活跃、最独特，谁就越容易获得意想不到的成功。逻辑性思维在创造性的活动中虽不像非逻辑性思维那样活跃，但在创新方案的整理和可行性的判断上不可或缺。它在把握使创新性方案趋于既定的目标、避免思维上的混乱、保证创造性过程能有序进行方面起着十分重要的作用。用非逻辑性思维可以想出很多方法：如用吸管吸，用强气流吹,将其结冰后取出冰块，用吸水材料将水吸人后取出，煮沸蒸发，打破水杯，倒入水银将水排出，切口渴的动物将其喝干等。第2次第3页沈阳大学教案（续页）课程名称编写时间：20年月日2.创造原理任何创造技法的产生均有一定的创造理论基础，而创造理论与实践结合产生出来的可操作的程式、步骤和方法，就是创新技法。因此创造原理是指导人们开展创新实践活动的重要理论基础，也是指导人们创造新技法的基本理论基础。创造原理主要有以下几种：⑴组合原理：同类组合—两个或两个以上相同或相似事物的结合。异类组合—两种或两种以上不同类事物的结合。附加组合—指在原有事物中补充加入新内容的组合。重新组合—将一个事物在不同层次上分解后，将分解的结果按新方式重新聚合的组合。综合组合—综合是一种分析、归纳的创造性过程。⑵还原原理研究已有事物的创造起点，并追溯源深入到它的创造原点，或从原点上解决问题，或从创造原点出发另辟新路，有新思想、新技术重新创造该事物，这就是创造原理的还原原理。⑶逆反原理从事物构成要素中对立的另一面去分析，将通常思考问题的思路反转过来，有意识地按相反的视角去观察事物，用完全颠倒的顺序和方法来处理问题的一种创造原理。⑷变性原理对事物非对称的属性如形状、尺寸、结构、材料等进行变化，也会导致发明创造，这种原理被称为变性原理。提问1：容器上的刻度通常是沿容器高度方向水平到制的，倾倒液体时难以掌握容器中液体的倒出量。怎样改进？将刻度改成以倾泻口作射线方向刻制(见图a)，倾倒液体时、液面与刻度基本保持平行，就能比较准确地把握好倒出液体的量。提问2：漏斗下面的疏漏管通常是圆形的，在用漏斗向容器灌输液体时，疏漏管与容器口紧密接触使容器中空气不易排出，影响灌装速度。怎样改进？将疏漏管外部沿管长方向做上若干小沟槽，就能很好地解决这个问题。提问3：火车车轮在铁轨上滚动时，在铁轨的接缝处会产生冲击，发生强烈刺耳的噪声。怎样改进？国外的一项无声铁轨的专利技术只是把接缝的形状稍作改变(见图b)，使列车行驶的噪声大大降低。a)容量指示刻度的变化b)铁轨接续形状的变化变性原理示例第2次第4页沈阳大学教案（续页）课程名称编写时间：20年月日⑸移植原理移植就是把已知对象中的概念、原理、结构、方法等内容运用或迁移到另一个待研究的对象中。例如，如何使电影胶片以每秒24幅画面作移动、停、移动的间歇运动，法国科学家卢米埃尔百恩不得其解。但有一次当他在观察缝纫机工作时突然得到启发，缝纫针在扎入布料时布料石动，而当缝纫针提起离开布料时，布料才移动一定距离。他把这种原理移植到电影机中，解决了如何使电影胶片作间歇运动的难题。人们常说的“换元”实际也是一种移植。比如以纸代木、以塑代钢的创造发明实际上是材料移植；模拟实验实际上是把真实实验对象缩小到实验宝进行创造研究的移植。陶瓷耐高温、耐腐蚀、价格低廉，用陶瓷材料代普贵重金属材料制作发功机中的燃气涡轮叶片、燃烧室等部件．不仅可以在发动机中使用廉价燃料、省去了水循环冷却系统、减轻了发动机的质量，而且降低成本、节省了能耗。这种材料换元的成功结动力机械和汽车工业带来了巨大的经济效益，是技术领域内的一项重大突破性的发明创造。⑹迂回原理在创造活动中如遇到棘手问题，转入对下一步问题的思考，或从事另外的活动，或试着改变一下观点，或研究问题的另一个侧面，让思考带着未解决的问题前进。也许，当其它问题解决时，该问题就迎刃而解了，这就是迂回原理。⑺群体原理可以形成智慧，可以形成创造力。⑻完满原理完满原理又可称为完全充分利用原理。凡是理论上未被充分利用的，都可以成为创造的目标。3．创新技法主要有以下几种：1.观察法创造性观察是指人们通过感官或科学仪器，有目的、有计划、有步骤的感知活动，“观”是指用敏锐眼光去看，“察”是指用科学思维去想。⑴构成观察的三要素：①观察者—是观察的主体，应具备科学知识、实践经验，另外还要掌握一定的观察技法。②观察对象—作为客体的观察对象是各种各样的。若观察对象是实物，则应从该实物的结构、形态、位置等进行观察；若观察对象为某一事件，则应注重观察事件的发生、发展、运动过程等；观察事物的起源、发生、结果，即在整个时空领域出现的变化。③观察工具—是观察的一种辅助手段。观察工具的选择有利于扩大观察