“系统性创新思维”在实践教学中的应用

郭献章, 张淑梅, 杨惠芳, 张娟霞, 郜启飞 , 柳彬德, 张 敏, 王楚楚, 史文策, 杭锦泉

(1. 东北大学秦皇岛分校 实验教育中心, 河北 秦皇岛 066004； 2. 东北大学秦皇岛分校 大学生创新创业中心, 河北 秦皇岛 066004； 3. 石家庄铁道大学 材料学院, 河北 石家庄 050043; 4. 东北大学秦皇岛分校 资源与材料学院, 河北 秦皇岛 066004； 5. 东北大学秦皇岛分校 计算机与通信工程学院, 河北 秦皇岛 066004)

“深化教育改革,推进素质教育”是习近平同志对教育工作提出的明确要求,也是提高人才培养质量的根本途径。以创新理论为指导、以学生的现有知识为平台、以解决实际问题为导向、以学校所能提供的现有实验仪器与设备为工具,综合培养学生的动手能力与创新能力,是比较现实的、快速推进创新实验教学改革的思想。在此思想的指导下,传统的实验教学不再枯燥,实验成果也不只是对经典理论进行验证那么乏味,而是在师生的共同努力下,运用创新性思维,为现实生活解决一些难题。这种教学方法使创新性思维很好地融入到实验教学当中,使学生的综合素质得到全面提升。

创新的意识、思维和落实创新的实践能力是创新教育的最高目标,这个目标只有在不断的创新教育探索中才能逐步实现[1]。国内学者从不同角度对大学生创新能力的影响因素进行了探讨。例如王家褀、曹颖颐[2]将影响大学生创新能力的因素分为4类:创新学习能力、创新知识基础、创新思维能力和创新技能,对大学生的创新能力有了更深刻的认识。李治根[3]、湛晓雪[4]、李琛[5]在创新型实验教学改革中,利用大学物理实验平台做出了专利新产品或进一步的研究成果。张娟霞[6]将数值试验引入到工程力学的实验课堂,创新了实验教学内容与形式。郭献章、张淑梅[7]在总结了国内外的创新教育理论与实践的基础上,结合国内大学生创新教育,发表了“基于TRIZ-CDIO模式的大学物理实验教学”新模式,是在教学实践基础上对创新教学模式的一个成功探索。

创新思想与理论也如创新本身一样,具有多样性、发展性,这就要求教育工作者不但要对各门派的创新理论有所研究,而且能够针对不同的实验题目与教学对象,创造性地设计出不同的实验项目与内容,以利于因材施教。本文以德鲁·博迪[8]的《微创新》中所讲的“系统性创新思维”策略为例,以说明不同创新方法在实验教学中的应用。

1 “系统性创新思维”原理及在实验教学创新中意义

1.1 创新与实验教学

对于创新的认识,有2种层面上的理解。在认知层面上,现代创新理论推翻了“天赋创新能力”的观点(创新是天才的事,与普通人无关),认为创新能力不是与生俱来的天赋,而是可以通过后天的学习与培训而形成的一种能力[8]。

另一种是“方法论”层面的讨论:什么样的活动才算创新？如何才能培养创新能力？一般从克里斯坦森所定义的“颠覆性创新”模式出发[9],来定义科学研究的重大创新。他认为颠覆式创新商业模式是指在传统创新、破坏式创新和微创新的基础之上,由量变导致质变,从逐渐改变到最终实现颠覆,通过创新,实现从原有的模式,完全蜕变为一种全新的模式和全新的价值链。而在科技创新上,就是具有划时代的理论与科技突破的重大实践。在日常实验教学中是很难实现“重大突破”的,但这并不意味着创新与日常教学无关。“系统性创新思维”理论告诉我们,创新能力不是与生俱来的天赋,而是可以通过后天的学习与培训而形成的一种能力,与日常生活与教学息息相关。

德鲁·博迪和雅各布·戈登堡合著的《微创新——5种微小改变创造伟大产品》一书,深入研究和系统阐述了“系统性创新思维”或称为“微创新”。该理论认为,“框架内思考”就是把解决问题的办法与思路限定在一定的范围内,所得到的解决方案,不一定是最佳方案,但却是最有创意(创新性)的方案。书中以大量跨国公司的成功创新性实践为例反复阐述了这个道理,并总结出“系统性创新思维”的5种策略,即减法、除法、乘法、任务统筹、属性依存。这些策略与实验教学相结合,所组合出的实验项目,往往能达到意想不到的良好效果。

大学实验教学,包含巩固已学理论知识、探索未知领域的功能,也包含提升学习兴趣、培养综合能力的功能。而“系统性创新思维”的理论与策略,既能激发学生们的创新热情与学习兴趣,又可以通过已有的知识与能力,去创造性地解决自己所遇到的问题,学活了知识、培养了能力、激发了创新[10]。因此,“系统性创新思维”与大学实验教学的结合,具有重要的积极意义。但是在教学实践中,也一定要反复强调,任何创新都是在原有知识和能力的基础上做出的,知识背景是创新的根基,基础知识的学习、基本能力的训练,必不可少。不要因为强调“系统性创新思维”而使学生认为科学创新就是“权宜”与“机巧”,从而助长了本已相当“浮躁”的学术之风。一定要让学生认识到,基础研究成果才是一切“奇思妙想”能够实现的根本。这是在运用“系统性创新思维”(或称“微创新”)进行实验教学时所必须关注的副作用。

1.2 “系统性创新思维”策略简介

“系统性创新思维”策略的5种模式,在创新型实验教学的项目中不是孤立出现的,而是各有侧重,相互配合而使用的。

(1) 减法策略。删除一项产品或服务中的某个基本部件,甚至可能是其中的精华,而不找替代物,然后考虑它还有什么用途？为谁所用？书中所举之例是把洗衣液中的活性成分去掉,创造出了全新产品—柔顺剂。

(2) 除法策略。就是化整为散、分解以致胜。把某个产品分解为多个部分,打破“结构性固着”,然后将分解后的部分重组。所举之例为把制冷压缩机与冷风出口分离,从而出现了分体空调机、分体冰箱等新产品。

(3) 乘法策略。先明确产品、服务或流程的组成部分,选择某个基本部分加以复制,而后将其改造成乍看上去毫无价值的东西。所举之例有单锋刀片向多锋刀片的产品过渡,使蓝吉列品牌所向无敌。多张照片的连续叠加,形成了电影,也是该策略的一种应用。

(4) 任务统筹策略。该策略的特点是“一专多能”,给产品、服务中的某个部分分配一个附加的任务或功能,让它在发挥原有作用的前提下完成新的任务。比如苹果公司的软件外包,把原本属于公司应用软件工程师的大量工作,外包给其他公司或业余爱好者,从而形成一种正相关的业界生态。

(5) 属性依存策略。指让原本不相关的属性,以一种有意义的方式关联。选取产品或流程两个原本不相关的属性,让一个变量随着另一个变量的变化而变化,从而创新出新产品。例如当温度超过38 ℃时,就会成为变色的婴儿奶瓶。

1.3 “系统性创新思维”理论在实践教学中的实例分析

针对控制工程学院的大三学生,基本的专业课都已经开过,模拟电子、数字电子课程已经结束,此时的创新型课程设计实践课就可以依照“系统性创新思维”的原理与策略来进行设计。

比如在方案规划阶段,拿出一个学生常用的耳机,让学生依照减法策略设计出一个新的产品。于是先把耳机按功能进行了分解:听外部传来的音频,听内部存贮的音频,用麦克录制音频传给对方(或存贮)。现在去掉其核心功能——“听外部传来的音频,听内部存贮的音频”,还会有什么用途？那就只剩下录制或听自己的声音这个功能了。这个功能有什么应用场景？学生在同一教室大声背诵时,只想听到自己的声音,而不想听到别人的声音。应用场景就定义为教室中学生同时背诵。怎样实现？用隔音耳机,隔开环境噪音,用定向拾音麦克放大自己的声音,再用滤波软件与硬件,滤除麦克拾到的杂音。这样一个只能听自己声音的口语学习耳机的原型创造阶段就结束了(见图1)。

图1 自听耳机的设计思路

当然,学生在上述耳机的基础上,又加入了蓝牙功能与手机连接,同时在手机中设计了应用APP,对口语练习中的发音进行智能纠错,这就又运用了“任务统筹策略”,从而让这款耳机“一专多能”,更加好用。

在另一组学生中,也要求在微创新中的框架内思考,来解决公共卫生间中的臭味问题。经过思考与优化,一组学生拿出了创新方案。依照“属性依存”策略,学生把蹲便器中用来冲水的小孔,在不冲水时向外抽气,使臭气还没有在空中散发便被抽到室外,同时避开了把室内全部空气都换一遍，而不对室内温度产生影响的情况,节约了大量排气所需的电能。这就是把原来冲水孔单一的冲水“属性固着”去掉,增加了向外排气的功能,使学生很好地理解了“属性固着”是怎么回事(见图2)。

图2 一种除臭蹲便器

自动化专业的一组学生要参加全国节能减排大赛,运用“属性依存”与“减法”策略的组合设计出了“综合制冷制热空气能机”[11]。他们把空气能热水器与空气能空调并列到了一块,把各个功能部分进行了分解,发现都有一个压缩机,只不过在空调中是用来制冷,在热水器中是用来加热。然而它制冷时却浪费了热能,制热时也把冷气散到室外。首先,打破了压缩机在两种机器中的“属性固着”,也就是它能制冷也能制热；然后运用减法策略,去掉一个机器中的压缩机,发现可以用另一个机器中的压缩机；再分析后又发现,可以用制冷时发散出的热能来使水升温,实现热水器的功能,也可以用制热时所需要吸收热量的特性,来实现制冷的功能；最后一个最简单的应用场景就设计了一个带有热水器的冰箱(见图3)。

图3 室内制冷及制热系统

2 创新型课程设计实践的实例

2.1 创新性功能设计与定义

去除耳机最基本的“听音乐功能”,改为只听自己的声音为基本功能,服务对象是同时在教室中背书的学生。再用“任务统筹”策略,加入更多的辅助功能。

一款基于语音接收与识别技术的口语学习辅助耳机,通过将一个返声功能装载到人们平时使用的隔音耳机中,使人们在噪杂环境中只听到自己诵读声,滤出环境中的其他噪声,从而提高外语口语学习效率。使用时,使用者只需戴上耳机,打开手机蓝牙,与耳机进行蓝牙配对,然后打开测试APP进行实时的口语评测,并在使用者结束朗诵后,给出评测分数和进一步的训练意见。

2.2 创新性功能的实现

设计完成之后,一款与众不同,而需求面广的新产品已经展开了蓝图。从用户的角度来设计应用,以获得产品的良好用户体验。

使用者打开耳机开关开始诵读,声音获取装置开始收集使用者的声音信息,因其采用了心型曲线的单指向性麦克风,只拾取前方和两侧的部分声音,有效降低了周边环境的杂音。声音模拟信号被获取后进入信号转换模块,该模块采用MAX9812芯片,将所获声音信号转换为电信号,声音电信号进入采样模块,通过MSP430F5244单片机对电信号进行AD采样获取数字信号,接下来数字信号被送入滤波模块,通过Kalman滤波从一系列存在测量噪声的数据中估计动态系统的状态,对所采集声音信号进行即时的处理,从而有效地滤除高斯白噪声,接下来滤除噪声后的声音数字信号进入输出模块,通过MSP430F5244单片机控制DA转换模块输出电信号。扬声模块将DA输出的电信号进行放大后,输出给隔音耳机的扬声器。

扬声器的功放模块采用增大单片机的输出功率,驱动扬声器工作,最终输出有效的声音信号(见图4)。

图4 口语辅助耳机工作流程

3 创新型实践教学研究的意义

随着我国社会主义新时代的到来,国家与人民对教育质量的要求也开始不断提高[12]。因此将创新思维运用到实验教学中,能够充分体现学生的自我创造性,使学生在掌握应学知识和技能的同时,逐渐形成创新意识,培养创新思维能力[13]。在新时代中,创新教育实验模式对于人才的培养格外重要,在实验中引发学生对模型改进的思考,对其提出的新想法加以引导,能够激发学生学习新知识的兴趣,引发学生动手实践和验证模型可行性的动力,同时也能锻炼其团队配合能力,通过实验加深对专业知识的掌握与深刻理解[14]。

口语学习辅助耳机融合了“系统性创新思维”的创新策略与智慧校园的概念,在实现了学习耳机降噪的功能与学习辅助功能的同时,学生掌握了硬件的制作与软件APP的编写与调试,又通过对纠错功能的实现,掌握了运用大数据服务平台进行相关数据挖掘的知识与能力。

随着现代信息技术的日益发展,校园的教学管理早已不像往日那样单一,智慧校园随着互联网创新的发展潮流,变得更信息化、智能化,而教师的知识与技能也要应时而变,进行系统化的创新与重塑,才能自信地面对高等教育转型发展和互联网+万众创新所带来的机遇与挑战[15]。

4 结语

本文主要对一种基于“系统性创新思维”的新型实践教学方法进行了探索与研究。与传统实践教学相比,“系统性创新思维”的理论与策略应用于实验教学,创新了教学内容与教学模式,在实验教学中培养和锻炼了学生的创新思维与创新能力,同时提升了学生的学习兴趣,综合了传统实验教学内容,使整个实验教学在创新型项目的实现过程中得到了升华。

在这种实验教学模式下,“系统性创新思维”引导学生突破惯性思维,进行“框架内思考”,激发学生的创新热情,找出新型实验(课程设计、毕业设计)的创新方案与项目。这些项目本身具有创新性、实用性、综合性,在其实现过程中,能够贯穿所有已经掌握的知识与技能,还能完成传统的实验教学的任务。更重要的是,为了使其“产品”具有时代感,学生会结合现有信息技术与“互联网+”的应用,去向各方面的高手与专家请教,并组成共同研发的团队,从而培养了自身的综合能力。

基于“系统性创新思维”的思想与原理,对实践教学进行改革,是我们近2年来的一个重要尝试。在师生的共同努力下,这一教学改革已取得了初步成就,如上所述,微创新下多种创新策略的成功实例,与学生的学习、生活、工作密切相关。很多的创新团队、创新项目与相关创新成果不断涌现,标志着创新教育为实践教学打开了全新的领域,“系统性创新思维”下的教学实验模式有很大的发展前景。