5.第四章 创新设计

创新设计主讲人:石冬喜本章教学内容与目的

本章从科技创新学研究的内容出发，通过对创新思维技法以及机电产品创新设计等内容的介绍，使同学们初步掌握发明创新的基本方法。

创新设计研究的内容1.概论2.创新思维技法3.机电产品创新设计4.1概述4.1.1研究创新的意义

21世纪是知识不断创新．科技突飞猛进、世界深刻变化的世纪，21世纪科技创新将进一步成为社会和经济发展的主导力量。世界各国综合国力竞争的核心是：知识创新、技术创新和高新技术产业化是一个国家国民经济可持续发展的基石。

4.1.2创新的定义

美国学者欧文·泰勒认为创造包括5个层次：

(1)第一层次是表达式创造，这是最初级的创造，像孩子绘画就属于这类；

(2)第二层次是生产创造，指的是发展各种技术得到完美产品的活动；

(3)第三层次是发明创造，指发明家寻找新方法来解决现存问题，即技术发明；

(4)第四层次是创新式的创造，指对各种原理、原则和概念的洞察；

(5)第五层次是深奥的创造，指经过长期刻苦钻研得到崭新原理的活动。

(1)《发明创造的艺术》一书的作者认为：“创造就是人们利用自己的聪明才智对已有的物质或精神材料进行加工，从而产生前所未有的有价位的物质产品与精神产品”。

(2)我个人认为：用科学语言回答什么是创造却极为困难，因为创造包括的外延太多。在我国的《词源》中，“创”字有疮、伤、损、惩的意思，其共同涵义是“破坏”；“造”字有作、为、始、成的意思，共同涵义是“建设”；两字合起来，创造就是“破旧立新”，即“创新”。

(3)当然从专利的角度上讲“创新”又分成：

“发明创新”（发明专利）

“变异创新”和“组合创新”(新型实用专利)

所谓创新，是人的主观能动性的高度发挥，是为满足社会物质生活和精神生活的需要，在破旧基础上的立新。从这种概念上看，创新既是一种有过程的活动，又是一种行为，也是一种具有新颖性、独特性的成果。

4.1.3创新过程1.完整的创新过程：第一阶段（即准备期）：主要指发现问题，收集资料，学习别人的知识、总结经验并从中得到启示；第二阶段（即酝酿期）：这一阶段主要是冥思苦想，对问题做各种试探性解决；第三阶段（即明朗期）：是指在上一阶段酝酿成熟的基础上豁然开朗，产生了灵感或顿悟；第四阶段（即验证期）：即对灵感或顿悟得到的新想法进行检验和证明。

2.不完整的创新过程

即突发性创新过程，由于这种创新过程非常短暂，所以人们一般很难再将其区分若干个阶段。例如，早年在足球比赛时裁判并未使用哨子。有一次在伦敦比赛，运动员为了一个得分而发生争执，继而观众涌入场内，顿时秩序大乱。当时的裁判恰好是一个警察，处于职业习惯他灵机一动，从口袋里掏出警笛吹了起来（即联想思维的结果），球场立刻安定下来。由此，人们便发明了足球比赛用哨。

4.1.4“创新”含义举例1.美国首先发明了世界上第一台不带电线的电熨斗(熨铁与熨铁器分别放置)。2.德国接着推出一种感应式电熨斗(熨衣板上设有感应电源，熨衣时自然产生温度，且温度可调)。这种不断的技术进步就是“创新”或者说“科技创新”。创新思维方法4.2常用创新思维技法

1.联想法（所谓联想思维，就是人们通过一件事情的触发而迁移(想)到另一些事情上的思维。联想能够克服两个不同概念在意义上的差距，并在另一种意义上将二者联结起来。由此产生一些新颖的思想）。

2.题目问答法（提出问题是创造发明的第一步，能提出一个好的问题，往往意味着成功一半。）

3.智力激励法（是一种集思广益的集体思考的方法。其做法大致分为准备和开小型会议）

4.类比法（是指用待发明的创造对象与某一具有共同属性的已知事物进行对照类比，以便从中获得启发而进行创造发明。）

5.反求工程法（所谓反求工程是指对已经投入运行证明效果良好的新产品、新技术、新设备进行全面、纪要系统、深入的科学检测、计算、分析和研究，找出其技术关键和控制方法。）

4.2.1联想思维方法

所谓联想思维，就是人们通过一件事情的触发而迁移(想)到另一些事情上的思维。联想能够克服两个不同概念在意义上的差距，并在另一种意义上将二者联结起来。由此产生一些新颖的思想。联想思维是人们因一件事物的触发而联想到另一事物的思维，由此，我们把前一事物称为刺激物或触发物，而后一事物则称为联想物。联想思维三种形式：相似联想、对比联想和接近联想。

1．相似联想

相似联想，是指联想物和触发物之间存在着一种或多种相同而有明显属性的联想。1.看到鸟想到飞机(都能飞).2.看到电灯想到蜡烛、手电筒(都有发光性)等。3.美国发明家一次在理发时看到理发推子的动作，突然与其正在思考中的收割机方案联系起来.4.模仿创造更为常见，如仿天鹅形体的游船、仿动物形体的电话机等。其创造原理可以归属于移植创造。4．对比联想

对比联想，是指联想物和触发物之间具有明显相反性质的联想。

1.看到白颜色想到黑颜色。

2.看到小的物体想到大的物体。

3.国外有人由儿童玩具，对比联想到开发成人玩具、老人玩具等。与对比联想直接相关的创造原理是逆反创造原理。3．接近联想

接近联想：是指联想物和触发物之间存在很大关联或关系极为密切的联想。例：看到学生想到教室、实验室及课本、书桌等。从落地电扇具有可调节升降性能可联想并发明了升降篮球架；定向联想：事先给定“目的”的联想，叫做，或强制联想。比如，“木质”与“足球”这两个离得很远的概念，可以联想为：木质——树林；树林——田野；田野——足球场；足球场——足球。

创造发明活动总是有目的的，所以定向联想在创造发明中具有特殊重要的意义。当然，对于创造性思维本身而言，它更加提倡的是思想奔放、毫无拘束的.4.2.2联想思维技法(联想组合法)

联想组合法的思维基础是联想思维，它所依据的原理主要是组合创造原理。联想组合可划分为自由联想组合和强制联想组合两大类。由于发明创造大多是针对某一目标、为解决某一问题而进行的创造劳动，因而与此相关的强制联想组合在一般发明创造中显得更为重要。4.3.1创新设计新型家用厨房油烟净化机(课题来源)(1)饮食油烟中的二氧化硫、二甲氨、苯乙烯等有害气体，对人体有很大的伤害;(2)未经处理的高浓度油烟直接排放严重污染环境;(3)高噪声对人体和环境也有很大的伤害;(4)目前市场厨房抽排油烟机功率消耗较大.4.3联想创新应用举例

4.3.2常见抽排油烟机优缺点分析图1双风扇直排式油烟机图2离心深吸式油烟机图3欧式油烟机1.油烟抽排方式：深吸式和欧式，它们抽取油烟的方式都是采用“风扇直接抽取油烟”。

2.直接驱动式的缺点：

①油烟必须全部通过风机的扇叶或叶轮，风机有限的出口流量限制了油烟机排烟率的提高。②凝油污染的蜗壳内部件难以清洗。③日积月累,其风机涡轮扇页由于冷凝油垢粘附使动平衡被破坏,增大了风机轴承的阻力及噪声,排风量减小，寿命也缩短。

4.3.3运用焦点组合法

创新设计新型家用厨房油烟净化机

第一步，确定“焦点”目标：发明新型家用厨房油烟净化机。第二步，列出解决“焦点（油烟抽排、油烟净化）”可能方法：

(1)油烟抽排：用吸的方法排掉油烟；用吹的方法排掉油烟。结论：射流方法(2)油烟净化：用过滤或离心分离的方法对油烟净化；用吸附的方法对油烟净化；结论：离心分离+吸附第三步，用发散性思维分析，并进行强制联想组合。射流方法+离心分离+吸附——新型家用厨房油烟净化机；第四步，对选优方案进行设计：新型家用厨房油烟净化机设计。1、创新思路的产生

当高速火车、汽车以及高速移动的物体从人们身边通过时，人们会感到它们对人有一股吸力，这股吸力就是射流作用将靠近人侧的空气大量带走，外边的空气还未及时的补充进来形成负压地带，由于负压作用人们会感到高速移动的物体对人有一股吸力作用。基于这种想法，我们拟研究设计制造一个人工负压“射流场”，通过射流作用将油烟高效的抽排掉。然后再利用射流动能将油烟引入旋流油气分离器中，高速流体沿切线进入旋流油气分离器后，利用油气的比重不同，在橱房油烟在离心力的作用下油与空气分离开来，并将分离后的废油引入集油瓶中，干净的气体排入大气，达到经济高效抽排和净化油烟的目的。

2、射流器工作原理图

1-喷嘴2-吸入室3-喉管入口4-喉管5-扩散管射流器工作原理图3、射流器原理应用

（串级宏诱导射流器）

依据射流器原理开发设计了新型串级宏诱导射流式厨房油烟射流泵又称喷射器。其结构原理如图1所示：21345工作介质(空气)被抽介质(油烟)被抽介质(油烟)排出介质(混合油烟)

1．三级喷嘴2.三级吸入室3.二级喷嘴4.二级吸入室5.一级喷嘴串级宏诱导射流器4、离心分离原理及应用

油烟净化的关键部件是油气分离器，为了提高油烟净化的效果，本方案采用蜗壳旋风滤层式油气分离器对油烟进行旋流离心分离，如图所示。

集油瓶

蜗壳旋风油气分离器GLGL中心排气管气液分离网气液分离空间油烟进口干净气体外排旋风分离器5、射流式新型家用厨房油烟净化机

在理论研究的基础上，设计制造了一台“串级宏诱导射流式厨房油烟净化机”。其结构简图见图所示：1-蜗壳旋风滤层式油气分离器2-串级加速宏诱导射流器3-射流风机4-深层烟罩5-灶台

串级宏诱导射流式厨房油烟净化机54231油烟净化后干净气体4.4射流技术的启发喷气：火箭飞行、气垫船、喷气纺织喷水：高压水射流反冲推进、喷水灭火、医用水射无针注射喷雾：雾化法制造金属粉末、喷雾降温风扇、喷砂：固体干粉灭火、喷砂除锈、能使皮肤细嫩的仪器喷浆：高压喷射注浆法、高压喷射搅拌法、机器人抹灰破碎：水力采煤、高压脉冲水射流破岩、反坦克穿甲弹、切割：高压水射流切削混凝土、水射流手术刀切除肝脏清洗：高压水射流清洗设备、水射流地下穿送钢丝深绳

2.题目问答法3.智力激励法

1．查阅产品样本法

查阅产品样本法，是将两个或两个以上的、一般情况下被认为彼此并无关联的产品(或想法)强行联系组合在一起从而产生出新颖性方案的方法。比如，深受用户欢迎的保温杯就是将暖水瓶的保温胆与杯子强制联想组合而设计成功的。

2.焦点组合法

查阅产品样本法所选择出来的创造目标是随意的、无定向的，而人们的发明创造目标大多都是预先确定好的。比如，要发明一种新型的打火机，就不能随便地翻阅毫不相关的样品目录。而对于已有明确创造目标的发明创造来说，焦点组合法则显得更为优越。在焦点组合法中，组合的一方是可任意联想的，而组合的另一方则是预先指定的欲创造对象，即所谓的“焦点”。焦点组合法要求创造者紧紧围绕“焦点”进行强制联想。焦点组合法解题步骤1.确定“焦点”目标;2.列出解决“焦点”的可能的方法;3.用发散性思维分析这些可能的方法强制组合的结果,从中选优;4.对选优方案进行产品设计。4.5总结

1.进行联想，要有打破砂锅问(纹)到底的精神，联想的范围越广、深度越大，对创造活动就越有益