機械創新設計教學中巧用橫向和發散性思維

徐云杰 楊俊凱

摘要：分析了機械設計中思維的概念和基本形式，以核桃破殼為例，提出了在機械創新設計教學中巧用橫向和放射性思維訓練的五個步驟，采用思維導圖的方法，系統地開發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新設計實施實例。

關鍵詞：機械創新教學；橫向和發散性思維；五步訓練；思維導圖

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

機械設計創新教學是機械專業必修的一門專業課。課程中介紹常用的創新技法有智力合成法、仿生類比法、列舉創新法、移植技術法等[1]，針對這些創新技法研究較多的是如何使用這些創新技法[2]，很少有人關注對基礎知識較為薄弱的學生需要怎樣訓練，才能夠使用這些創新技法甚至突破這些創新技法。一般學生學習機械創新設計的過程大都是從縱向思維開始，經過邏輯推理和判斷及相應的綜合、分析與決策，而產生設計方案[3]。縱向思維制約創意產生，橫向和發散性思維促進創意產生。如何讓學生突破縱向思維，激發橫向和放射性思維，打破常規，具有獨創性？有必要對機械創新設計中橫向和發散性思維如何應用進行研究。

一、機械設計中的思維

思，就是想；維，就是序。機械設計中的“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，遵循機械的工作原理、結構、運動方式、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律。

機械設計過程縱向思維居多，因為在設計時要遵循很多的定理、定義、公式，在設計實施時容易直上直下地思考，解決問題嚴密但過于狹隘，制約創意產生。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、特征和性質啟發而產生新思想的思維方式，是一種提高創造力的系統性的手段[4]。發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，不受已有經驗的影響，是測定創造力的主要標志之一[5]。

機械創新設計需要通過橫向思維和放射性思維獲取設計的獨創性，這種獨創性很可能變成前所未有的產品。比如設計叉車，按縱向思維設計叉車，大部分設計成矩形輪子、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現最小轉彎半徑；起升堆垛采用可伸縮機械臂能實現更高的堆高，如德國錐輪可伸縮機械臂叉車。再如設計汽車車輪，縱向思維設計成圓柱形的車輪，按橫向和放射性思維，可設計成圓球形的車輪，可任意角度開車，如固特異的球形輪胎。

二、機械設計中的橫向和放射性思維訓練

創新思維大師愛德華認為“想擁有創新思維，僅僅靠智力是不夠的，不過好在思維是可以學習的”。也就是說，我們能通過一些訓練來培養我們利用橫向思維和發散思維的能力。橫向和放射性思維訓練流暢性容易辦到，變通性比較困難，獨創性最是難得，而變通性和獨創性恰恰代表著橫向和放射性思維的本質。在遵循機械設計規律的基礎上，在機械創新設計中可以用五步訓練法來訓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練的五個步驟，任何機械創新設計的問題都可以參照這五個步驟進行訓練，這五步訓練法帶來的任何一點小改變都將有助于進行橫向和放射性思維。

（一）假設

面對一個問題或挑戰時，寫出那個問題自帶的假設。比如采用一些方法將核桃破殼，則可能的假設有：選一種有機藥水溶解核桃皮；用熱氣球把核桃運到高處扔下來；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；用壓力機壓。

（三）質疑

對現有方法提出疑問。比如對最普通的壓力機壓核桃，核桃大小不一，要取得相同破殼效果必須要設置不同級別的模具或核桃分級配合壓力機，“如果可以重新設計一個方案要怎么設計？”，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，往往思路就顯現出來了。比如你問自己，“核桃殼一定要從外向內破殼嗎？”像這樣重新構建問題，你會發現那層迷惑你過度思考的面紗就被揭開了。現實設計中，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“我們如何去除電線上的積雪？”一個模糊的問題常常導致我們給出直線但無效的答案，比如“讓天不下雪”。

（五）轉變視角

你知道為什么一個新手進入新的領域容易創新，互不相干的團隊容易碰撞出創意的火花嗎？因為新鮮的視角比較容易忽略約定俗成的規矩，推陳出新。為了推進橫向思維，盡量把自己假設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、用思維導圖的整理設計思維

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

以文字的形式對思維導圖進行總結，參會者從效果和可行性兩個方面評價各點子，選擇最合適的點子做具體實施。

四、氣動射擊式核桃破殼方案的實施

綜合分析思維導圖提出的各種方案，結合目前已有的核桃破殼方案，選用機械方式中的“射擊”舉例實施。

核桃無論大小，殼體能承受的壓力大小相差不大。因此只要施加適當的外力，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，高壓氣體提供發射力，高壓氣體介質為空氣，無污染且能耗率低，氣體沖擊核桃產生的發射力遠大于核桃的重量，因此發射后核桃撞擊的力基本相同。設計中涉及機械設計、氣壓傳動、流體力學、電氣傳動等相關的專業知識。小組成員可分工合作共同完成。

五、結束語

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、決定著機械創新設計，作為設計主體的機械設計人員必須注重培養和開發橫向和放射性思維的習慣及能力。結合思維導圖的五步式思維訓練能夠讓學生巧用橫向和發散性思維，充分挖掘自身潛能，形成創新意識和能力，針對任何新的機械設計需求，能充分發揮自己的橫向和放射性思維，設計出前所未有的新產品、新技術，真正做到“創新”。

參考文獻：

[1]趙新軍，李曉青，鐘瑩.創新思維與技法[M].中國科學技術出版社，2014.

[2]張有忱，張莉彥.機械創新設計[M].清華大學出版社，2011.

[3]騰啟，宋可總.機械創新設計的研究[J].鍛壓機械，2002，37（3）：6-8.

[4]杜永平.創新思維與創造技法[M].北京交通大學出版社，2011.

[5]蘭玉琴，徐艷輝.教師要培養學生的創新能力[J].中華少年，2015，（30）.