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1、机 械 创 新 设 计,武汉理工大学物流工程学院物流自动化系,第 二 章 创造性思维与方法,在工程设计中,无论是概念设计的构思,原理方案的确定,还是机械结构的设计,都存在求解问题。所谓求解,就是寻求解决的方案。当然,可按照继承原则参考现有方案来解决,但有时只能通过创造性方法得到满意的结果。所以说,创造性方法是提出新方案,探求新解法,提高设计质量,开发创新产品的重要基础。设计是一种创造性劳动,开发工程技术人员的创造力,对于提高产品设计水平和质量,具有决定性的意义。,一.概述,概述,概述,创造(Creation)强调新颖性和独特性，创新(Innovation)是创造的某种实现。,诺贝尔物理学奖获得
2、者詹奥吉说：“发明就是和别人看同样的东西却能想出不同的事情。”牛顿并不是第一个被树上掉下的苹果砸到头的人。,我国著名教育家陶行知先生在“创造宣言”中提出：处处是创造之地，天天是创造之时，人人是创造之人。,山东有位叫王月山的炊事员观察到灶里的煤火燃烧不旺时，只要拿根铁棍一拨，火苗从拨开的洞眼窜出，火一下就旺起来。后来，他用煤粉做煤球煤饼时，主动在上面均匀地戳几个通孔，不仅火烧得旺，而且节省燃煤。大家熟悉的蜂窝煤就是这样发明的。,例,概述,例,这款新型厨具不包含什么新技术，只是刮刀、罐子和长柄勺的混合体，看起来更像是半个有把手的杯子。但它既可以帮使用者轻松盛到留在锅底的汤、菜，又不会在刮蹭锅底时发
3、出噪音。餐饮业人士认为“铲勺”将成为最有可能给英国厨房带来变革的厨具。65岁退休老妇玛格丽特奥卡拉汉也因而获得大奖1万英镑（约合1.65万美元）奖金。,英老妇获万元发明大奖 新型“铲勺”带来英国厨房变革谁说发明创造是年轻人的专利？英国一名老妇人受厨房烹饪琐事启发，发明一款新型厨具“铲勺”，喜获1万英镑的发明挑战大赛奖金。,工程设计按其性质可分为:,二.创造力(creativity),常规性设计与创新性设计,常规性设计:以成熟技术为基础,运用常规方法进行的产品设计。常规性设计在工业生产中大量存在,并且是一种经常性的工作。,创新性设计:旨在提供具有社会价值的,新颖而独特成果的设计。,注,常规方法即
4、类比、试凑等方法。,创新性设计需要在设计中采用新的技术手段、技术原理与非常规方法。,注,非常规方法即测试、试验,然后经过详细的计算得出有依据的结果。,创造力开发,工程设计,一般具有三个基本特征:,设计的实质在于创造,约束性:,多解性:,创造力开发,相对性:,约束性:,设计是在多种因素的约束和边界下进行的,这些边界和约束构成了一组限制条件,形成了构思的”设计空间”。设计者必须在这有限的空间内,协调各种关系,满足全部的边界和约束条件,这是需要创造性的。,约束,协调,多解性:,一般来说,达到产品的功能可以采用多个方案,这就使设计工作具有很大的选择性,选择出最好的方案也是一种创造力。,多解,选择,创造
5、力开发,相对性:,设计时经常会碰到一些相互矛盾的情况,如既要降低成本,又要加强可靠性和安全性,加上一些事先难以预料的因素的影响,使得设计者只能作相对满意的辨别。工程设计中的这种相对性特征需要创造力才能作出正确的辨别。,相对,辨别,这三种特征都需要发挥设计者的创造力。,完成任何一项工程设计项目,一般需经过四个过程:,创造活动的一般过程,准备期:,酝酿期:,搜集资料,分析问题,明确创新目标。,经过长期思考,出现顿悟或受到启发,豁然开朗。得来全不费功夫。,探索性思考,反复推敲,踏破铁鞋无觅处。,明朗期:,验证期:,检验、改进、完善。,分析综合,评价决策,创造力开发,创造力是人的心理特征和各种能力在创
6、造活动中体现的综合能力。创造力既包括智力因素,也包括非智力因素。创造力所涉及的智力因素主要有观察力、记忆力、想象力、思考力、表达力和自控能力等。这些能力相互联结与相互作用,构成智力的一般结构。,创造力的内涵,创造力开发,观察力是有目的地感知事物的能力。记忆力是将知识、经验、信息储存与大脑中的能力。想象力和思考力是对知识、信息进行加工、变换的能力。它们是创造性活动的两大支柱。思考力属逻辑思维,包括:分析、综合、归纳、演绎。想象力属非逻辑思维,包括:联想、幻想、直觉、灵感。两者紧密联系在一起,是创造力的核心,合起来叫创造性思维。,创造力开发,创造力还包括很多非智力因素。如理想、信念、需求与动机、兴
7、趣与爱好、意志性格等都同创造力有关。,创造力开发,自控能力是指创造者按照一定的目的和要求,对意识心理行为进行自约束、自协调、自控制的能力。,智力因素是创造力的基础性因素,而非智力因素则是创造力的导向、催化和动力因素。,creativity,IQ 20,EQ 80,表达力是对头脑中已经产生的新知识新信息的输出能力。,三.创造性思维,创造性思维的含义,创造性思维是创造力的核心,深刻认识和理解创造性思维的实质、类型和特点,不仅有助于掌握已经开发出来的现有的创造技法,而且能够推动和促进人们对新的创造方法的开拓。,创造活动是人们对未知世界的认识、发现和发明的活动过程。在这一过程中,感觉、知觉、记忆、想象
8、等心理机制,都将发生一定的作用,但起主要作用的是思维和想象,合起来简称创造性思维。,创造性思维的含义,在创造性思维中,想象力是至关重要的。爱因斯坦认为:想象力比知识更重要,因为知识是有限的,而想象力慨括着世界上的一切,推动着进步,并且是知识进化的源泉。严格地说,想象力是科学中的实在因素。,创造性思维的含义,二十世纪五十年代中期,那是航空史上的螺旋桨时代,美国环球航空公司为了预测35年后商业航空的前景,在报纸上举办了一次有奖赛,邀请广大读者参加预测。1万多份征集到的答案被封存了35年后才启封,评阅。,例,例,多数答卷上写的是:35年后飞机螺旋桨的材料会更坚固,声音会更柔和,票价会比现在更低等等。
9、只有海伦托马斯太太的答卷一鸣惊人,她预言:35年后,螺旋桨飞机只配用来洒农药,而现在在各方面未尽人意的喷气式飞机将占主导地位。它的载客人数应该超过300人,最大时速和航程可分别达到700英里和3000英里。当然也应该有小型的,那就是随时可在医院屋顶上作紧急降落的直升飞机。届时,美国人将可乘坐大型豪华喷气式飞机到夏威夷、澳大利亚等地度周末。每座城市上空,小型直升飞机川流不息、交叉穿梭,将乘客送到各目的地,如同车辆一样寻常。评委们给了最高的评价:她大胆的预言除了个别部分尚未达到外基本上已成为现实。最富有想象力的人就是胜利的人。为此,80多岁的海伦托马斯太太获得了5万美元的奖金。,创造性思维的含义,
10、例,前苏联著名的飞机设计师雅科夫列夫在总结自己一生创造生涯的自传中写道:一个设计师首先应该是一个幻想家。正是在这些幻想中产生着新的思想,新的设计构思以及如何实现这些思想与构思的途径。争取把幻想变成现实,这才是一个设计师生活的最大意义。,创造性思维的含义,例,被誉为科学幻想之父的儒勒凡尔纳是以科学幻想促进科学发展的杰出典范。他一生共写科幻小说约104部,被译成60种文字流传于世界各地。凡尔纳的作品由于构思巧妙,特别是富有科学预见性而受到读者青睐。在他生活的时代,世界上还没有潜水艇、机关枪、霓虹灯、电视、直升飞机、坦克,更没有火箭与导弹,当然也没有登月飞船。然而,几十年后,他的决大多数科学幻想却都
11、成为有目共睹的科学事实。凡尔纳惊人的想象力开发了许多人的智力,使无数的科学家、探险家、发明家从中得到启迪,将科学幻想变成了科学现实。,创造性思维的含义,创造性思维的特点,创造性思维的特点,独创性,综合性,连动性,多向性,跨越性,创造性思维的特点,独创性,即与众人、前人有所不同,独具慧眼。设计者应打破一般思维的常规惯例，提出新功能、新原理、新机构、新材料，在求异和突破中体现创新。,这种机器人模仿尺蠖(huo)的动作向上爬行，其爬行机构只是简单的曲柄滑块机构,其中电机与曲柄固接，驱动装置运动。上下两个自锁套是实现上爬的关键结构。当自锁套有向下运动的趋势时，锥套、钢球与圆杆之间会形成可靠的自锁，使装
12、置不下滑，而上行时自锁解除。,例,清华大学第十七届挑战杯科技竟赛展览曾展出由学生设计制造的爬竿机器人，受到人们的好评。,创造性思维的特点,爬竿机器人的爬行过程如图所示。图a为初始状态，上下自锁套位于最远极限位置，同时锁紧；图b状态曲柄逆时针方向转动；上自锁套锁紧，下自锁套松开，被曲柄连杆带动上爬；图c状态曲柄已越过最高点，下自锁套锁紧，上自锁套松开，被曲柄带动上爬。如此周而复始，实现自动爬竿。用这些简单的机构、结构使机器人爬竿，充分体现了设计的独创性。,怀疑:怀疑一切,即敢于对人们司空见惯或认为完美无缺的事物提出怀疑。,抗压性:即力破陈规,勇于向旧的传统和习惯挑战。,自变性:即能够主动否定自己
13、,跳出自己的思维框框。,有三种因素可激发独创性。,连动性,即由此思彼。连动思维有三种形式。,纵向连动:针对问题和现象深入思考,探究其产生的原因。(由表及里),创造性思维的特点,前苏联车工邱吉柯夫在车床边工作，由于突然停电，正在切削工作的超硬质合金车刀在工件失去动力降速运转的过程中，牢固地粘结在工件上而报废了。他正是通过这件偶然事故，深入分析工件和车刀粘连的原因而发明了摩擦焊。,例,注,在压力作用下，通过待焊工件的摩擦界面及其附近温度升高，材料的变形抗力降低、塑性提高、界面氧化膜破碎，伴随着材料产生塑性流变，通过界面的分子扩散和再结晶而实现焊接的固态焊接方法。摩擦焊通常由如下四个步骤构成：1、机
14、械能转化为热能；2、材料塑性变形；3、热塑性下的锻压力；4、分子间扩散再结晶。,连动性,横向连动:根据某一现象联想到特点与其相似或相关的事物。(由此及彼),爬墙机器人,创造性思维的特点,美国汽车大王福特一世在街上散步时，偶然间看到肉铺仓库里的几个工人顺次分别切牛的里脊肉、胸肉、头肉，他的脑海里马上浮现出汽车组装的过程：让工人顺次分别装上汽车的种种零部件。这就是用流水线组装汽车的方法，它和以前让每一个工人自始至终地装配一辆汽车相比，由于每个工人只负责汽车中的一小部分，操作简单、容易熟练，因此工人劳动效率大大提高，而且很少出差错。因而使福特公司脱颖而出，奠定了福特在汽车行业中的地位。后来，其它汽车
15、厂、行业纷纷仿效福特公司的这一方法，至今流水线作业仍是现代化生产管理的一个有力手段。,例,例,连动性,逆向连动:即看到某种现象立即想到它的反面。(由正至反),创造性思维的特点,丹麦人奥斯特发现导线上通电流会使附近的磁针偏转，法拉第由此想到磁铁也能使通电导线移动，于是他发明了电动机。后来法拉第又想到，电能生磁，反过来呢？他立刻做实验，最后终于发现磁也能生电，这一发现导致了发电机的诞生。法拉第二次“反过来试试看”使大规模生产和利用电能成为可能，而这一发明引发了第三次产业革命。,例,例,1901年时的除尘器只能吹尘,飞扬的尘土令人窒息。英国人赫尔伯斯运用逆向连动思维，吹尘不好，吸尘如何?他用手绢捂着
16、嘴试着吸尘土，结果成功了，他继而发明出带有灰尘过滤装置的负压吸尘器。,多向性,即善于从不同的角度想问题。多向思维有四种形式：,发散机智:针对某个问题尽量提出多种方案,以扩大选择余地。,换元机智:变换影响事物和量的诸多因素中的一个，以产生新的思路。,转向机智:思维在一个方面受阻时马上转向另一个方向。,创优机智:寻找最优解答，不满足现有的解答。,创造性思维的特点,例,跨越性,常常表现为省略思维步骤。如无意之中的发明。,创造性思维的特点,人类科学发展史充分证明，许多震惊世界的科学发明发现纯粹都产生于偶然。如牛顿因苹果落地而发现万有引力、门捷列夫在梦中排定元素周期表等。美国著名的连线(Wired)杂志
17、列出了十项轰动全球的偶然发明发现。,伦琴射线(X射线)19世纪，许多科学家都对电子撞击金属物体后产生的射线非常着迷。然而，真正发现伦琴射线的是德国科学家威廉-伦琴，时间是1895年。他当时曾使用多种物体来研究这种射线，当他在更换所使用的实验器材时却偶然发现自己手骨在墙壁上留下了投影。最终，他确信这是一种具有很强穿透性的射线。,例,创造性思维的特点,例,例,微波炉微波辐射器(磁控管)曾在第二次世界大战中被盟军用于雷达设施。它加热食品的这一新功能是1946年才被人们偶然发现的。当时，美国Raytheon公司一位名叫皮尔斯-斯朋塞尔的工程师因口袋中的巧克力被磁控管熔化而引发了微波炉生产热潮。,硫化橡
18、胶未被硫化的橡胶不仅对外界温度变化敏感、遇到高温就变得又软又粘且易拉断，而且气味又非常难闻。为了克服未硫化橡胶的这些缺点，查尔斯-古德尔偶然发现在橡胶中加入硫能大大增强了橡胶的强度，加硫后的橡胶制品遇热不软，逢冷不脆，性能非常好。以查尔斯-古德尔名字命名的美国GOODYEAR公司生产的产品也以其卓越的品质和性能享誉世界。,青霉素苏格兰科学家亚历山大-弗莱明原来从事流感研究工作。1928年 9月的一天下午，弗莱明像往常一样来到了实验室。在他的实验室里培养了一些葡萄球菌一种引起传染性皮肤病和脓肿的常见细菌。一次非常偶然的机会，由于疏忽而忘记为一个盛有葡萄球菌的培植盘子盖上盖子，结果他发现盘子中生长
19、出的青色霉菌将周围的葡萄球菌全部杀死。后来，弗莱明还曾风趣地说，这一发现要归功于他的粗心大意。,例,综合性,要成功地进行综合思维,必须具备三种能力:,智慧杂交能力:善于选取现有的成果,通过巧妙结合,形成新的成果。,思维统摄能力:把相关的概念、事实和观察材料综合在一起,加以概括整理,形成科学的系统。,辨证分析能力:这是一种综合性思维能力,即对占有的材料进行深入分析,把握它们的个性与特点,然后从这些特点中概括出事物的规律。,创造性思维的特点,维纳的控制论控制论所包括的内容十分庞杂；20世纪晚期发展起来的一套理论，如非线性科学、浑沌理论、复杂性理论、人工生命、直接或间接的与控制论特别是维纳的思想有关
20、。,创造性思维的类型,创造性思维的类型,人们在日常的工作、学习与生活中,可能经常不自觉地应用到各种思维方式,但其效率是不高的。如果你能够熟练掌握各种思维方式,再有意识地加以应用,效率就会提高很多。,依据思维过程中是否严格遵守逻辑规则,可以将思维划分为:逻辑思维与非逻辑思维逻辑思维是人们间接认识事物与事物之间联系的途径。逻辑思维是严格遵循逻辑规则按确定程序进行思维的一种思考方式。逻辑思维以抽象的概念作为其思维元素,推理严密,结论确定。逻辑思维是研究得最多的一种思维类型。,杨振宁曾谈到后两种思维方式对他的影响。他在西南联大受到的是演绎型思维训练,即从已知的物理事实,推理出新的事实,然后交实验验证。
21、中国缺少实验设备,实验结果少,只能多做此类工作。到了美国之后,杨振宁的导师费米和泰勒的思维方式恰好相反,他们从大量的实验结果中,构造新的模型,新的知识,得出新的物理定律。这种归纳型思维方式视野广阔,创造性强。杨振宁总结说:我很幸运,演绎型和归纳型这两种思维方式,我都受到了很好的训练。,例,创造性思维的类型,逻辑思维的其操作方法主要是分析和综合,归纳与演绎。分析:化整为零 归纳:由多到一 综合:合零为整 演绎:由一到多,非逻辑思维,创造性思维的类型,非逻辑思维不严格遵循逻辑格式，是具有灵活性的自由思维；其结论往往能突破常规，具有鲜明的新奇性，但一般或然性很大。其基本形式是联想、想象、直觉和灵感。
22、,联想：是指由一事物引发而想到另一事物的心理活动。想象、直觉和灵感都离不开联想。想象：是在联想的基础上加工原有意象而产生出新意象的思维活动。直觉：不受固定的逻辑规则约束而直接得出问题答案或领悟事物本质的思维方式。,创造性思维的类型,灵感：是当人们潜心于某一问题达到着迷的程度，由于某一机遇的作用，使得一个人的全部心理品质都得到调动的一种应激性心理状态。在这种心理状态下，将出现新颖的，独特的想法，从而使久思不得其解的问题一下子豁然开朗，大彻大悟。如阿基米德在洗澡时对浮力原理的顿悟。,爱迪生有一句至理名言：发明是百分之二的灵感加上百分之九十八的血汗。这是他创造历程的总结，也一语道出了艰苦劳动和灵感的
23、关系。,例,创造性思维的类型,依据思维过程中运用的思维元素的不同划分为：形象思维与抽象思维 形象思维的思维元素是形象化的意象。在文学、艺术的创造活动中，形象思维起着主要的作用。在工程设计中，形象思维也是基本的。设计者在构思新产品时，无论是对产品的外形设计，还是内部结构设计以及工作原理设计，形象思维都起着不可忽视的作用。我国著名科学家钱学森教授认为“（科研工作）要开窍还是靠研究工作的经验 在于由经验累积沉于大脑中的形象思维途径。是悟，不是逻辑推理。”,创造性思维的类型,运用形象思维，可以激发人们的想象力和联想、类比能力。如建筑师设计房子，他要把记忆中的众多建筑式样、风格融合起来，结合任务要求，设
24、计出新的建筑物，这主要靠形象思维。工程师设计机械系统时也是如此。,创造性思维的类型,抽象思维的思维元素是抽象的概念。它是凭借概念、判断、推理而进行的反映客观现实的思维活动。思维材料侧重于语言、推理结论、数字、符号等。抽象思维在社会科学中应用较多。抽象思维应用的是逻辑方法，较为严密。形象思维与抽象思维是认识过程中不可分开的两方面，彼此互相联系，互相渗透。进行科学研究时，研究人员先从具体问题出发，搜集多种有关的信息和资料，凭借抽象思维，运用理论分析处理，进而在试验中将抽象思维转化为高级的具体思维，从而顺利地完成科学研究。,创造性思维的类型,依据已有条件得到答案的多与少划分为：发散思维与收敛思维 发
25、散思维（求异思维）依据己有条件尽可能得到多的答案。这种思维的过程是：以欲解决的问题为中心，运用横向、纵向、逆向、分和、颠倒、质疑、对称等思维方法，考虑所有因素的后果，找出尽可能多的答案，从所有诸多的答案中，寻找出最佳的一个，以便最有效地解决问题。发散思维能力取决于一个人的知识广博程度。知识是思维的材料，知识面越宽，为思维提供的素材就越丰富。,创造性思维的类型,发散思维的训练方法：由一事想万事，从一物思万物。美国欧克博士说，当你看见墙壁上有一个小黑点时，能够由此想到那是掉在餐桌上的一粒芝麻，空中的一架飞机，大海中的一艘轮船，衬衣上的一滴墨汁，宇宙中的一颗星星，。,例,创造性思维的类型,收敛思维（
26、求同思维）收敛思维依据已有条件只要求得到少的较佳的答案。它是一种在大量设想或方案的基础上，引出较佳答案的思考方式。收敛思维的目的在于通过对各种相关知识的分析、比较、综合、推理，从中引出答案。与发散思维相比，收敛思维的操作更多地依赖于逻辑方法。,创造性思维的类型,依据思维的直接与间接划分为：直达思维与旁通思维 直达思维：即始终不离开问题的情境和要求而进行思考。旁通思维：将问题转换成另一等价问题，或以某一问题为中介间接地去解决问题。,例,司马光砸缸救人，在人小力薄的情况下他无法将人从水中拉出（人离开水），而采用砸缸放水（水离开人）的办法，这是旁通思维解决问题的很好例子。围魏救赵，“条条道路通罗马”
27、，都是指运用旁通思维的意思。,创造性思维的类型,抽象思维、收敛思维和直达思维都是运用逻辑方法思考问题，均属于逻辑思维。形象思维、发散思维和旁通思维都是运用非逻辑方法思考问题，均属于非逻辑思维。,完,利用氢电池驱动的自行车,后续,设计是人类改变原有事物，使其变化、增益、更新、发展的创造性活动。作为一种社会文化活动，一方面，它是创造性的，类似于艺术的活动；另一方面，它是理性的，类似于条理性的科学活动。因此，设计应是科学与艺术的统一。如果站在思维的层次上看，设计思维则是科学思维与艺术思维的统一。一直以来，研究者总习惯把视线聚集在设计理论、设计发展趋势、设计功效等方面，而忽略了对设计中创造能力的探讨，
28、尤其是对创造的核心创造性思维本质的研究，设计首先要解决的也应是“如何进行创造”的问题。本书立足于此，分为上、下两篇。上篇主要从思维入手，通过对思维、心理、视觉等方面的大量研究，探索艺术设计中创造性思维的一般规律，并着重分析了创造性思维的特点和发生机制，以及如何依靠思维的收敛与发散、抽象概括与具象描画、理性思考与非理性跃迁等去激发思维智能，促进创造力的发挥，从而达到创新设计的目的。艺术设计思维不是单纯的形象思维或逻辑思维，它是更高层次的思维。设计科学的本质规范了设计创造性思维的逻辑定向，而设计的造型性又要求设计思维的艺术思维定向，任何一种单独的思维方式都不能解决设计问题。上篇着重解决了四个问题：
29、一，给出了对思维的一个科学认识；二，指出了艺术设计思维的核心是创造性思维；三，分析了创造性思维与逻辑思维和形象思维之间的辩证关系；四，提出了思维是一种技能，因此是可以训练的。下篇以讲授方法为主要内容，注重设计思维研究的专业化程度。对于设计方法，应该认识这样一个原则：科学的设计方法与创造性思维是辩证统一、相辅相成的。科学的设计方法将有利于创造性思维的发挥，从而能提升创造能力；同时不断增长的创造能力又可促成更多方法的形成与逐渐成熟。创造性思维方法也就是创造思维形成的方法，是创造思维主要的、基本的和典型的形式。每个创造思维方法都自成体系，但它们的本质属性是一致的，其区别主要是不同的创造思维方法各自的可行性有所不同。具体创造思维方法的运用，实际上是增强创造思维成果的可行性。下篇先从艺术设计的基础形态与空间开始论述，再将工业产品设计等方面，以点带面，阐述运用科学的方法增强创造性思维成果的可行性。全书的目标是通过从整体上把握思维与思维方法，追本溯源，通过深入分析，使之达到能够为设计服务的目的。,
