基于方程視角的科技創(chuàng)新方法及應(yīng)用研究

摘??要：科技創(chuàng)新方法是進(jìn)行科技創(chuàng)新活動的手段，提出科技創(chuàng)新活動由學(xué)習(xí)、改進(jìn)兩道工序構(gòu)成，以4種學(xué)習(xí)區(qū)域和6種改進(jìn)方法的組合構(gòu)建科技創(chuàng)新活動的方法方程，該方程的系數(shù)取不同的值得到不同的方法方程，根據(jù)方法方程對鋼筆進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，得到各種各樣的新鋼筆，論證了基于方程視角構(gòu)建的創(chuàng)新方法形式簡潔、內(nèi)容豐富、效果出色。

關(guān)鍵詞：創(chuàng)新;排列組合;方法方程;鋼筆;應(yīng)用

國家明確提出"十四五"時期要顯著提升創(chuàng)新能力、明顯提高科學(xué)文化素質(zhì)，站在教學(xué)角度，實(shí)現(xiàn)這些新目標(biāo)主要通過科學(xué)教學(xué)培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)核心素養(yǎng)。科學(xué)教學(xué)常規(guī)模式是科學(xué)探究[1]，科技創(chuàng)新活動是一種最有價值的科學(xué)探究，科技創(chuàng)新方法是科學(xué)創(chuàng)新活動取得實(shí)效的關(guān)鍵?，F(xiàn)有關(guān)于科技創(chuàng)新的方法多種多樣，但是方法的表述形式教條，內(nèi)容多雜、結(jié)構(gòu)凌亂，減弱了對科技創(chuàng)新活動的指導(dǎo)作用。從邏輯學(xué)知道，內(nèi)涵越少的概念其外延越大，而方程是左右相等的式子，其內(nèi)涵很少，尋找一種方程將科技創(chuàng)新方法進(jìn)行概括、提煉，像解方程一樣解出來是一個有意義的研究問題。基于方程視角本文探究科技創(chuàng)新方法，提出了一種方程，完整表述科技創(chuàng)新方法，在科學(xué)教學(xué)過程中實(shí)施取得一定的效果。

一、科技創(chuàng)新方法

科技創(chuàng)新方法由學(xué)習(xí)、改進(jìn)二道工序構(gòu)成，各自分工、相互配合、相互依存，共同作用產(chǎn)生科技創(chuàng)新的方法功能。

學(xué)習(xí)是科技創(chuàng)新方法的第一道工序，通過學(xué)習(xí)學(xué)生認(rèn)識科學(xué)現(xiàn)象、獲得科學(xué)原理、掌握現(xiàn)有產(chǎn)品的性能等，經(jīng)常學(xué)習(xí)各種產(chǎn)品的性能為科技創(chuàng)新提供了鮮活的知識，是持續(xù)科技創(chuàng)新的源泉。一個產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)、原理、形狀是學(xué)習(xí)的四個區(qū)域。功能學(xué)習(xí)讓學(xué)生知道該產(chǎn)品具有什么用途，具有什么好處，能夠干什么等，如鋼筆的功能是書寫。結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)告訴學(xué)生產(chǎn)品的骨骼、產(chǎn)品的鏈接、產(chǎn)品的安裝、產(chǎn)品的運(yùn)動等。原理學(xué)習(xí)告訴學(xué)生產(chǎn)品用什么力、什么方式、什么機(jī)構(gòu)、什么能量、什么步驟進(jìn)行工作。形狀學(xué)習(xí)了解產(chǎn)品的外在相貌、形象、造型、圖案、顏色、大小等方面的特征。

改進(jìn)是科技創(chuàng)新方法的第二道工序，科技創(chuàng)新的改進(jìn)有合法、去法、換法、反法、抄法、預(yù)法等六種方法，前五種方法適用于對現(xiàn)有產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，預(yù)法適用于還不存在的產(chǎn)品，方向指向明天、將來的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

合法是對現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行功能組合、結(jié)構(gòu)相并、體積變大、物質(zhì)變重、顏色搭配、造型靠近等。去法是對現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行個別功能的取締、個別結(jié)構(gòu)的去除、把體積去除變小、把空間去除減小、把重量去除變輕等。換法是對現(xiàn)有產(chǎn)品進(jìn)行材料更換、功能變換、結(jié)構(gòu)變換、原理變換、黑色改換為藍(lán)色、圓形改換為方形等。反法是對產(chǎn)品進(jìn)行各方面的相反改變，有功能相反、結(jié)構(gòu)相反、原理相反、形狀相反，倒過來、逆向、倒置也是反法。抄法是將另一個產(chǎn)品的區(qū)域的狀態(tài)進(jìn)行抄襲、仿照、類比、借用、模仿到現(xiàn)有產(chǎn)品上的方法，包括抄襲動物的功能、結(jié)構(gòu)、原理和形狀區(qū)域狀態(tài)及人的功能、結(jié)構(gòu)、原理和形狀區(qū)域狀態(tài)。預(yù)法針對明天、將來，展開發(fā)散聯(lián)想提前預(yù)計(jì)、設(shè)想個人有什么需求、社會有什么發(fā)展趨勢，結(jié)合學(xué)習(xí)獲得的知識來進(jìn)行從0到1的新產(chǎn)品的構(gòu)思、設(shè)計(jì)、構(gòu)造、修改、計(jì)劃、制作等，在改進(jìn)的6種方法里它是難度大、價值高的方法，最有挑戰(zhàn)性。

二、科技創(chuàng)新的方法方程

科技創(chuàng)新方法由學(xué)習(xí)、改進(jìn)兩道工序組成，進(jìn)行一項(xiàng)科技創(chuàng)新活動，就像進(jìn)行流水線工作，第一步進(jìn)入學(xué)習(xí)工序，認(rèn)識、理解、掌握現(xiàn)有產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)、原理和形狀四個區(qū)域的特征，第二步進(jìn)入改進(jìn)工序，將需要創(chuàng)新的產(chǎn)品放在工作臺上，使用合、去、換、反、抄、預(yù)六種方法工具選擇該產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)、原理、形狀等一個區(qū)域或幾個區(qū)域進(jìn)行加工。這樣第一步工序有4種情況，第二步工序有6種情況，合計(jì)有2道工序10種情況。

（一）方法方程

進(jìn)行一次科技創(chuàng)新活動有2道工序10種情況，第一道工序有4種學(xué)習(xí)情況，根據(jù)排列組合，合計(jì)有?種學(xué)習(xí)組合狀態(tài)，其任一種學(xué)習(xí)狀態(tài)用表示，其中i=1表示在功能、結(jié)構(gòu)、原理、形狀4種學(xué)習(xí)情況中選擇一種的學(xué)習(xí)組合狀態(tài)，i=2表示在功能、結(jié)構(gòu)、原理、形狀4種學(xué)習(xí)情況中選擇二種的學(xué)習(xí)組合狀態(tài)，i=3表示在功能、結(jié)構(gòu)、原理、形狀4種學(xué)習(xí)情況中選擇三種的學(xué)習(xí)組合狀態(tài)，i=4表示在功能、結(jié)構(gòu)、原理、形狀4種學(xué)習(xí)情況中全部選擇的學(xué)習(xí)組合狀態(tài)。第二道工序有6種改進(jìn)方法，根據(jù)排列組合，能夠使用的加工改進(jìn)方法合計(jì)有種改進(jìn)組合狀態(tài)，其任意一種組合狀態(tài)用表示，其中j=1，表示在合、去、換、反、抄、預(yù)6種改進(jìn)方法中選擇一種方法的改進(jìn)組合狀態(tài)，j=2表示在合、去、換、反、抄、預(yù)6種改進(jìn)方法中選擇二種方法的改進(jìn)組合狀態(tài)，j=3、j=4的表示同理類推。

根據(jù)科技創(chuàng)新方法的兩道工序性結(jié)構(gòu)，第一道工序有種狀態(tài)，第二道工序有種狀態(tài)，完成一次科技創(chuàng)新活動必須兩道都要存在，缺一不可，因此科技創(chuàng)新活動的加工方法是第一道工序的狀態(tài)與第二道工序的狀態(tài)的組合，根據(jù)排列組合，則有種科技創(chuàng)新加工方法，將這種科技創(chuàng)新加工方法對一件產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新加工作用得到另一種新產(chǎn)品。基于方程視角，在產(chǎn)品、創(chuàng)新方法、新產(chǎn)品之間存在一個相等關(guān)系，即方法方程：

其中字母x表示現(xiàn)有任何產(chǎn)品，如一種鋼筆。方程系數(shù)表示一種科技創(chuàng)新方法，字母y表示用科技創(chuàng)新方法對產(chǎn)品x進(jìn)行作用后得到的新產(chǎn)品。

（二）方法方程的變形

在方法方程（1）中，令i=1、j=1得到，該方程說明，對現(xiàn)有產(chǎn)品x選擇第一道工序的一種區(qū)域?qū)W習(xí)、用第二道工序的一種改進(jìn)方法組合進(jìn)行創(chuàng)新加工得到一種新產(chǎn)品y。

在方法方程（1）中，令i=1、j=2得到，該方法方程說明，對現(xiàn)有產(chǎn)品x選擇第一道工序的一種學(xué)習(xí)區(qū)域、用第二道工序的二種改進(jìn)方法組合進(jìn)行創(chuàng)新加工得到一種新產(chǎn)品y。

在方法方程（1）中，令i=2、j=1得到，該方法方程說明，對現(xiàn)有產(chǎn)品x選擇第一道工序的二種學(xué)習(xí)區(qū)域、用第二道工序的一種改進(jìn)方法組合進(jìn)行創(chuàng)新加工得到一種新產(chǎn)品y。

依次類推，方法方程（1）的系數(shù)取不同的值得到不同的變形的方法方程，對應(yīng)得到其它不同的創(chuàng)新新產(chǎn)品，所以方法方程（1）形式簡潔，內(nèi)容豐富。

三、方法方程的應(yīng)用

下面以鋼筆的創(chuàng)新為例揭示方法方程（1）的應(yīng)用。

在方法方程中，令x=鋼筆，則y=新鋼筆，得到方程：

??（2）

（一）在方法方程（2）中，令i=1、j=1，得到如下六種變形的方法方程

（1）學(xué)習(xí)?功能?合?鋼筆=?新鋼筆。通過學(xué)習(xí)知道現(xiàn)有鋼筆具有書寫的功能，對書寫功能進(jìn)行合法改進(jìn)，啟示學(xué)生對鋼筆組合具有注射藥水的功能，兒童醫(yī)院里的護(hù)士如果采用鋼筆注射器給患病兒童注射藥水，他們就不會害怕了，得到注射鋼筆。

（2）學(xué)習(xí)?功能?去?鋼筆=?新鋼筆。通過學(xué)習(xí)，對現(xiàn)有鋼筆的書寫功能進(jìn)行去法改進(jìn)，指引學(xué)生思考去除鋼筆的書寫功能后要去除筆尖，沒有筆尖的鋼筆可以用來畫眉毛、按摩皮膚、裝香水等。

（3）學(xué)習(xí)?功能?換?鋼筆=?新鋼筆。通過學(xué)習(xí)對現(xiàn)有鋼筆的書寫功能進(jìn)行換法改進(jìn)，啟發(fā)學(xué)生將鋼筆的功能改換為其它，得到切割鋼筆、洗刷鋼筆、錄音鋼筆、繡花鋼筆等。

（4）學(xué)習(xí)?功能?反?鋼筆=?新鋼筆。通過學(xué)習(xí)對現(xiàn)有鋼筆的書寫功能進(jìn)行反法改進(jìn)，提醒學(xué)生書寫的相反是不書寫，不能書寫的鋼筆有什么用途？逼迫學(xué)生思考出喝藥鋼筆、吸污鋼筆、點(diǎn)煙鋼筆等。

（5）學(xué)習(xí)?功能?抄?鋼筆=?新鋼筆。通過學(xué)習(xí)對現(xiàn)有鋼筆的書寫功能進(jìn)行抄法改進(jìn)，抄誰的功能？抄什么功能？怎么抄？抄毛筆的功能得到帶有墨水囊的毛筆鋼筆;抄打印機(jī)的功能得到具有打印功能的打印鋼筆，筆直劃過去得到一行打印好的字體。

（6）學(xué)習(xí)?功能?預(yù)?鋼筆=?新鋼筆。通過學(xué)習(xí)對現(xiàn)有鋼筆的書寫功能進(jìn)行預(yù)法改進(jìn)時，讓學(xué)生預(yù)測明天、將來人們需要什么樣的鋼筆？結(jié)合學(xué)習(xí)的獲得的資源進(jìn)行發(fā)散思考，得到血糖鋼筆、折疊鋼筆、紙片鋼筆、水果鋼筆、刷牙鋼筆等。

其它形同i=1、j=1的方法方程（2），如?學(xué)習(xí)?結(jié)構(gòu)?合?鋼筆=?新鋼筆、?學(xué)習(xí)?結(jié)構(gòu)?去?鋼筆=?新鋼筆、學(xué)習(xí)?結(jié)構(gòu)?換?鋼筆=?新鋼筆、學(xué)習(xí)?結(jié)構(gòu)?反?鋼筆=?新鋼筆、學(xué)習(xí)?結(jié)構(gòu)?抄?鋼筆=?新鋼筆、學(xué)習(xí)?結(jié)構(gòu)?明?鋼筆=?新鋼筆?等18種變形的的方法方程限于篇幅，在此省略。

（二）在方法方程（2）中，令i=1、j=2，得到如下一些變形的方法方程

（1）學(xué)習(xí)?功能?合?去?鋼筆=新鋼筆。經(jīng)過學(xué)習(xí)，先用合法改變對鋼筆附加一個能夠擦除的功能，然后用去法改變鋼筆用墨水書寫的功能，自然導(dǎo)致沒有墨水、能夠擦除的新鋼筆。

（2）學(xué)習(xí)?功能?去?合?鋼筆=新鋼筆。經(jīng)過學(xué)習(xí)，先用去法改變鋼筆用墨水書寫的功能，得到輸液鋼筆，然后用合法改變輸液鋼筆，得到能夠測量體溫、能夠輸液的新鋼筆

（3）學(xué)習(xí)?功能?合?反?鋼筆=新鋼筆。學(xué)習(xí)鋼筆的功能，先用合法對鋼筆附加一個能夠擦除的功能，然后用反法改變鋼筆的書寫的功能，得到能夠按摩、能夠擦除的新鋼筆。

以此類推，根據(jù)方法方程（2）得到其它形如i=1、j=3，i=1、j=4，i=2、j=1，i=3、j=2，i=4、j=2等變形的的方法方程。

三、方法方程的意義

在科學(xué)教學(xué)實(shí)踐中，把現(xiàn)有的任何產(chǎn)品x代入科技創(chuàng)新的方法方程里，能夠引領(lǐng)學(xué)生快速集中于有價值的方向，減少思路走偏的幾率。學(xué)生逐一按部就班依次改變i、j的值，得到多種變形的方法方程，對應(yīng)得到一種改進(jìn)的方法思路，集中精力，迅速獲得新產(chǎn)品。該科技創(chuàng)新的方法方程學(xué)習(xí)難度不大，教師使用6個課時的課堂教學(xué)使學(xué)生掌握是可行的。如果得到一種方法方程，配合奧斯本的發(fā)散思考、討論方法【3】，從簡單物品的改進(jìn)著手，進(jìn)行反復(fù)練習(xí)，能夠熟練學(xué)生的產(chǎn)品創(chuàng)新技能，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力。

在上述科技創(chuàng)新方法的指導(dǎo)下，經(jīng)過幾年的教學(xué)實(shí)踐，科技創(chuàng)新活動取得一些效果。設(shè)計(jì)出"自來水井防凍裝置"、"汽車剎車報警器"、"太陽能供水取水裝置"、"致冷風(fēng)扇"、“傳聲實(shí)驗(yàn)裝置”、"農(nóng)田澆水報警器"、“乒乓球凹陷修正器"、?“頭盔防霧護(hù)罩”、“教室投影儀自動控制裝置”等累計(jì)368件科技創(chuàng)新產(chǎn)品。教師和學(xué)生參加青少年科技創(chuàng)新大賽，獲得市級一等獎3項(xiàng)，二等獎6項(xiàng)，三等獎3項(xiàng);省級一等獎1項(xiàng)，二等獎4項(xiàng)。學(xué)生發(fā)表省級科技創(chuàng)新論文2篇，教師多次獲科技創(chuàng)新優(yōu)秀輔導(dǎo)教師稱號。這些科技創(chuàng)新的成績對于學(xué)生人數(shù)少、地處農(nóng)村的學(xué)校，證明科技創(chuàng)新的方法方程具有一定的教學(xué)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭根福，袁來軍.新教材疑難問題研究與解決[M].長春：東北師范大學(xué)出版社，2009.4-12.

[2]全國青少年科技創(chuàng)新大賽規(guī)則（2017年修訂版）.

[3]王星華，白凌燕.創(chuàng)新思維工具在創(chuàng)客教育中的應(yīng)用研究[J].中國信息技術(shù)教育，2020（22）：59-62.

作者簡介：黃國海，中小學(xué)高級教師，研究方向：主要從事中小學(xué)科學(xué)教學(xué)工作和科技創(chuàng)新方法研究。