機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計教學(xué)中巧用橫向和發(fā)散性思維

徐云杰 楊俊凱

摘要：分析了機(jī)械設(shè)計中思維的概念和基本形式，以核桃破殼為例，提出了在機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計教學(xué)中巧用橫向和放射性思維訓(xùn)練的五個步驟，采用思維導(dǎo)圖的方法，系統(tǒng)地開發(fā)和整理了解決核桃破殼問題的思維，最后給出其中一條思維的創(chuàng)新設(shè)計實(shí)施實(shí)例。

關(guān)鍵詞：機(jī)械創(chuàng)新教學(xué)；橫向和發(fā)散性思維；五步訓(xùn)練；思維導(dǎo)圖

中圖分類號：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2019）07-0195-02

機(jī)械設(shè)計創(chuàng)新教學(xué)是機(jī)械專業(yè)必修的一門專業(yè)課。課程中介紹常用的創(chuàng)新技法有智力合成法、仿生類比法、列舉創(chuàng)新法、移植技術(shù)法等[1]，針對這些創(chuàng)新技法研究較多的是如何使用這些創(chuàng)新技法[2]，很少有人關(guān)注對基礎(chǔ)知識較為薄弱的學(xué)生需要怎樣訓(xùn)練，才能夠使用這些創(chuàng)新技法甚至突破這些創(chuàng)新技法。一般學(xué)生學(xué)習(xí)機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計的過程大都是從縱向思維開始，經(jīng)過邏輯推理和判斷及相應(yīng)的綜合、分析與決策，而產(chǎn)生設(shè)計方案[3]?？v向思維制約創(chuàng)意產(chǎn)生，橫向和發(fā)散性思維促進(jìn)創(chuàng)意產(chǎn)生。如何讓學(xué)生突破縱向思維，激發(fā)橫向和放射性思維，打破常規(guī)，具有獨(dú)創(chuàng)性？有必要對機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計中橫向和發(fā)散性思維如何應(yīng)用進(jìn)行研究。

一、機(jī)械設(shè)計中的思維

思，就是想；維，就是序。機(jī)械設(shè)計中的“序”就是在各種限定的條件（如材料、加工能力、理論知識和計算手段等）下，遵循機(jī)械的工作原理、結(jié)構(gòu)、運(yùn)動方式、力和能量的傳遞方式、各個零件的材料和形狀尺寸、潤滑方法等的基本理論和基本規(guī)律。

機(jī)械設(shè)計過程縱向思維居多，因?yàn)樵谠O(shè)計時要遵循很多的定理、定義、公式，在設(shè)計實(shí)施時容易直上直下地思考，解決問題嚴(yán)密但過于狹隘，制約創(chuàng)意產(chǎn)生。橫向思維能拋開思維定式，通過接收和利用其他事物的功能、特征和性質(zhì)啟發(fā)而產(chǎn)生新思想的思維方式，是一種提高創(chuàng)造力的系統(tǒng)性的手段[4]。發(fā)散性思維是求異思維，它是對同一問題探求不同的甚至是奇異答案的思維過程和思維方法，不受過去知識的束縛，不受已有經(jīng)驗(yàn)的影響，是測定創(chuàng)造力的主要標(biāo)志之一[5]。

機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計需要通過橫向思維和放射性思維獲取設(shè)計的獨(dú)創(chuàng)性，這種獨(dú)創(chuàng)性很可能變成前所未有的產(chǎn)品。比如設(shè)計叉車，按縱向思維設(shè)計叉車，大部分設(shè)計成矩形輪子、鏈條或升降液壓缸式。按橫向和放射性思維，突破固有的思維，采用圓錐形車輪更易實(shí)現(xiàn)最小轉(zhuǎn)彎半徑；起升堆垛采用可伸縮機(jī)械臂能實(shí)現(xiàn)更高的堆高，如德國錐輪可伸縮機(jī)械臂叉車。再如設(shè)計汽車車輪，縱向思維設(shè)計成圓柱形的車輪，按橫向和放射性思維，可設(shè)計成圓球形的車輪，可任意角度開車，如固特異的球形輪胎。

二、機(jī)械設(shè)計中的橫向和放射性思維訓(xùn)練

創(chuàng)新思維大師愛德華認(rèn)為“想擁有創(chuàng)新思維，僅僅靠智力是不夠的，不過好在思維是可以學(xué)習(xí)的”。也就是說，我們能通過一些訓(xùn)練來培養(yǎng)我們利用橫向思維和發(fā)散思維的能力。橫向和放射性思維訓(xùn)練流暢性容易辦到，變通性比較困難，獨(dú)創(chuàng)性最是難得，而變通性和獨(dú)創(chuàng)性恰恰代表著橫向和放射性思維的本質(zhì)。在遵循機(jī)械設(shè)計規(guī)律的基礎(chǔ)上，在機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計中可以用五步訓(xùn)練法來訓(xùn)練橫向和放射性思維。本文以核桃破殼問題為例，介紹橫向和放射性思維訓(xùn)練的五個步驟，任何機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計的問題都可以參照這五個步驟進(jìn)行訓(xùn)練，這五步訓(xùn)練法帶來的任何一點(diǎn)小改變都將有助于進(jìn)行橫向和放射性思維。

（一）假設(shè)

面對一個問題或挑戰(zhàn)時，寫出那個問題自帶的假設(shè)。比如采用一些方法將核桃破殼，則可能的假設(shè)有：選一種有機(jī)藥水溶解核桃皮；用熱氣球把核桃運(yùn)到高處扔下來；像玉米花一樣爆炸；像子彈一樣飛，撞碎到墻上。

（二）列舉

接下來你要問自己，“解決這個方法典型的做法是什么？”列出那些簡單而顯而易見的解決方法。然后再思考，“我如果不這么做會怎樣？”用牙嗑；用專用的鉗子；用錘子敲；用門擠；用壓力機(jī)壓。

（三）質(zhì)疑

對現(xiàn)有方法提出疑問。比如對最普通的壓力機(jī)壓核桃，核桃大小不一，要取得相同破殼效果必須要設(shè)置不同級別的模具或核桃分級配合壓力機(jī)，“如果可以重新設(shè)計一個方案要怎么設(shè)計？”，重組腦中片段，形成一個新方案。問題不再是“核桃大小不一”，而可以被改寫成“如何讓核桃不用分級也能大小一致？”“模具大小可以改變嗎？”“核桃和模具的角色可以互換嗎？”或“可以只要核桃殼不要仁嗎？”。

（四）退一步思考

當(dāng)你帶著一個方案著手解決問題，然后退一步思考，往往思路就顯現(xiàn)出來了。比如你問自己，“核桃殼一定要從外向內(nèi)破殼嗎？”像這樣重新構(gòu)建問題，你會發(fā)現(xiàn)那層迷惑你過度思考的面紗就被揭開了。現(xiàn)實(shí)設(shè)計中，問題更有可能諸如此類，“我們該如何不讓電線上積雪？”而不是“我們?nèi)绾稳コ娋€上的積雪？”一個模糊的問題常常導(dǎo)致我們給出直線但無效的答案，比如“讓天不下雪”。

（五）轉(zhuǎn)變視角

你知道為什么一個新手進(jìn)入新的領(lǐng)域容易創(chuàng)新，互不相干的團(tuán)隊(duì)容易碰撞出創(chuàng)意的火花嗎？因?yàn)樾迈r的視角比較容易忽略約定俗成的規(guī)矩，推陳出新。為了推進(jìn)橫向思維，盡量把自己假設(shè)成另外一個角色去解決問題。比如：（1）如果我是核桃，我希望殼薄一些，方便我長大后破殼；（2）如果我是核桃，我希望不長殼；（3）如果我是核桃，我想長在別的樹上，變異后沒殼；（4）如果我是核桃樹，我希望長沒殼的核桃。

三、用思維導(dǎo)圖的整理設(shè)計思維

橫向和放射性思維訓(xùn)練經(jīng)過五個步驟訓(xùn)練，形成了一系列看似無關(guān)，卻又有著某種關(guān)聯(lián)的思維。用思維導(dǎo)圖整理這些思維，使它變得具體化，系統(tǒng)化。具體做法類似于頭腦風(fēng)暴，3—5人為一個小組，小組每個成員都圍繞核桃破殼議題，按照五步訓(xùn)練法，針對每一個步驟都廣開言路，激發(fā)靈感，毫無顧忌，暢所欲言地發(fā)表獨(dú)立見解，不否定也不表揚(yáng)任何一個思路和想法，將五個步驟所有的思路繪制成圖1所示的思維導(dǎo)圖，思維導(dǎo)圖幫助我們快速理清核桃破殼的各種點(diǎn)子。如圖所示其中涉及到了手工方式、機(jī)械方式、重力方式、生物法、物理方式、化學(xué)方式和反向思維方式。

以文字的形式對思維導(dǎo)圖進(jìn)行總結(jié)，參會者從效果和可行性兩個方面評價各點(diǎn)子，選擇最合適的點(diǎn)子做具體實(shí)施。

四、氣動射擊式核桃破殼方案的實(shí)施

綜合分析思維導(dǎo)圖提出的各種方案，結(jié)合目前已有的核桃破殼方案，選用機(jī)械方式中的“射擊”舉例實(shí)施。

核桃無論大小，殼體能承受的壓力大小相差不大。因此只要施加適當(dāng)?shù)耐饬?，核桃不論尺寸大小均能夠均勻破殼。本方案采用模擬氣槍射擊的方法向墻壁上射核桃，高壓氣體提供發(fā)射力，高壓氣體介質(zhì)為空氣，無污染且能耗率低，氣體沖擊核桃產(chǎn)生的發(fā)射力遠(yuǎn)大于核桃的重量，因此發(fā)射后核桃撞擊的力基本相同。設(shè)計中涉及機(jī)械設(shè)計、氣壓傳動、流體力學(xué)、電氣傳動等相關(guān)的專業(yè)知識。小組成員可分工合作共同完成。

五、結(jié)束語

從橫向和放射性思維的概念、特征、形式論述中，可以知道橫向和放射性思維主導(dǎo)、決定著機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計，作為設(shè)計主體的機(jī)械設(shè)計人員必須注重培養(yǎng)和開發(fā)橫向和放射性思維的習(xí)慣及能力。結(jié)合思維導(dǎo)圖的五步式思維訓(xùn)練能夠讓學(xué)生巧用橫向和發(fā)散性思維，充分挖掘自身潛能，形成創(chuàng)新意識和能力，針對任何新的機(jī)械設(shè)計需求，能充分發(fā)揮自己的橫向和放射性思維，設(shè)計出前所未有的新產(chǎn)品、新技術(shù)，真正做到“創(chuàng)新”。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙新軍，李曉青，鐘瑩.創(chuàng)新思維與技法[M].中國科學(xué)技術(shù)出版社，2014.

[2]張有忱，張莉彥.機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計[M].清華大學(xué)出版社，2011.

[3]騰啟，宋可總.機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計的研究[J].鍛壓機(jī)械，2002，37（3）：6-8.

[4]杜永平.創(chuàng)新思維與創(chuàng)造技法[M].北京交通大學(xué)出版社，2011.

[5]蘭玉琴，徐艷輝.教師要培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力[J].中華少年，2015，（30）.