机械创新设计教学中巧用横向和发散性思维

徐云杰 杨俊凯

摘要：分析了机械设计中思维的概念和基本形式，以核桃破壳为例，提出了在机械创新设计教学中巧用横向和放射性思维训练的五个步骤，采用思维导图的方法，系统地开发和整理了解决核桃破壳问题的思维，最后给出其中一条思维的创新设计实施实例。

关键词：机械创新教学；横向和发散性思维；五步训练；思维导图

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）07-0195-02

机械设计创新教学是机械专业必修的一门专业课。课程中介绍常用的创新技法有智力合成法、仿生类比法、列举创新法、移植技术法等[1]，针对这些创新技法研究较多的是如何使用这些创新技法[2]，很少有人关注对基础知识较为薄弱的学生需要怎样训练，才能够使用这些创新技法甚至突破这些创新技法。一般学生学习机械创新设计的过程大都是从纵向思维开始，经过逻辑推理和判断及相应的综合、分析与决策，而产生设计方案[3]。纵向思维制约创意产生，横向和发散性思维促进创意产生。如何让学生突破纵向思维，激发横向和放射性思维，打破常规，具有独创性？有必要对机械创新设计中横向和发散性思维如何应用进行研究。

一、机械设计中的思维

思，就是想；维，就是序。机械设计中的“序”就是在各种限定的条件（如材料、加工能力、理論知识和计算手段等）下，遵循机械的工作原理、结构、运动方式、力和能量的传递方式、各个零件的材料和形状尺寸、润滑方法等的基本理论和基本规律。

机械设计过程纵向思维居多，因为在设计时要遵循很多的定理、定义、公式，在设计实施时容易直上直下地思考，解决问题严密但过于狭隘，制约创意产生。横向思维能抛开思维定式，通过接收和利用其他事物的功能、特征和性质启发而产生新思想的思维方式，是一种提高创造力的系统性的手段[4]。发散性思维是求异思维，它是对同一问题探求不同的甚至是奇异答案的思维过程和思维方法，不受过去知识的束缚，不受已有经验的影响，是测定创造力的主要标志之一[5]。

机械创新设计需要通过横向思维和放射性思维获取设计的独创性，这种独创性很可能变成前所未有的产品。比如设计叉车，按纵向思维设计叉车，大部分设计成矩形轮子、链条或升降液压缸式。按横向和放射性思维，突破固有的思维，采用圆锥形车轮更易实现最小转弯半径；起升堆垛采用可伸缩机械臂能实现更高的堆高，如德国锥轮可伸缩机械臂叉车。再如设计汽车车轮，纵向思维设计成圆柱形的车轮，按横向和放射性思维，可设计成圆球形的车轮，可任意角度开车，如固特异的球形轮胎。

二、机械设计中的横向和放射性思维训练

创新思维大师爱德华认为“想拥有创新思维，仅仅靠智力是不够的，不过好在思维是可以学习的”。也就是说，我们能通过一些训练来培养我们利用横向思维和发散思维的能力。横向和放射性思维训练流畅性容易办到，变通性比较困难，独创性最是难得，而变通性和独创性恰恰代表着横向和放射性思维的本质。在遵循机械设计规律的基础上，在机械创新设计中可以用五步训练法来训练横向和放射性思维。本文以核桃破壳问题为例，介绍横向和放射性思维训练的五个步骤，任何机械创新设计的问题都可以参照这五个步骤进行训练，这五步训练法带来的任何一点小改变都将有助于进行横向和放射性思维。

（一）假设

面对一个问题或挑战时，写出那个问题自带的假设。比如采用一些方法将核桃破壳，则可能的假设有：选一种有机药水溶解核桃皮；用热气球把核桃运到高处扔下来；像玉米花一样爆炸；像子弹一样飞，撞碎到墙上。

（二）列举

接下来你要问自己，“解决这个方法典型的做法是什么？”列出那些简单而显而易见的解决方法。然后再思考，“我如果不这么做会怎样？”用牙嗑；用专用的钳子；用锤子敲；用门挤；用压力机压。

（三）质疑

对现有方法提出疑问。比如对最普通的压力机压核桃，核桃大小不一，要取得相同破壳效果必须要设置不同级别的模具或核桃分级配合压力机，“如果可以重新设计一个方案要怎么设计？”，重组脑中片段，形成一个新方案。问题不再是“核桃大小不一”，而可以被改写成“如何让核桃不用分级也能大小一致？”“模具大小可以改变吗？”“核桃和模具的角色可以互换吗？”或“可以只要核桃壳不要仁吗？”。

（四）退一步思考

当你带着一个方案着手解决问题，然后退一步思考，往往思路就显现出来了。比如你问自己，“核桃壳一定要从外向内破壳吗？”像这样重新构建问题，你会发现那层迷惑你过度思考的面纱就被揭开了。现实设计中，问题更有可能诸如此类，“我们该如何不让电线上积雪？”而不是“我们如何去除电线上的积雪？”一个模糊的问题常常导致我们给出直线但无效的答案，比如“让天不下雪”。

（五）转变视角

你知道为什么一个新手进入新的领域容易创新，互不相干的团队容易碰撞出创意的火花吗？因为新鲜的视角比较容易忽略约定俗成的规矩，推陈出新。为了推进横向思维，尽量把自己假设成另外一个角色去解决问题。比如：（1）如果我是核桃，我希望壳薄一些，方便我长大后破壳；（2）如果我是核桃，我希望不长壳；（3）如果我是核桃，我想长在别的树上，变异后没壳；（4）如果我是核桃树，我希望长没壳的核桃。

三、用思维导图的整理设计思维

横向和放射性思维训练经过五个步骤训练，形成了一系列看似无关，却又有着某种关联的思维。用思维导图整理这些思维，使它变得具体化，系统化。具体做法类似于头脑风暴，3—5人为一个小组，小组每个成员都围绕核桃破壳议题，按照五步训练法，针对每一个步骤都广开言路，激发灵感，毫无顾忌，畅所欲言地发表独立见解，不否定也不表扬任何一个思路和想法，将五个步骤所有的思路绘制成图1所示的思维导图，思维导图帮助我们快速理清核桃破壳的各种点子。如图所示其中涉及到了手工方式、机械方式、重力方式、生物法、物理方式、化学方式和反向思维方式。

以文字的形式对思维导图进行总结，参会者从效果和可行性两个方面评价各点子，选择最合适的点子做具体实施。

四、气动射击式核桃破壳方案的实施

综合分析思维导图提出的各种方案，结合目前已有的核桃破壳方案，选用机械方式中的“射击”举例实施。

核桃无论大小，壳体能承受的压力大小相差不大。因此只要施加适当的外力，核桃不论尺寸大小均能够均匀破壳。本方案采用模拟气枪射击的方法向墙壁上射核桃，高压气体提供发射力，高压气体介质为空气，无污染且能耗率低，气体冲击核桃产生的发射力远大于核桃的重量，因此发射后核桃撞击的力基本相同。设计中涉及机械设计、气压传动、流体力学、电气传动等相关的专业知识。小组成员可分工合作共同完成。

五、结束语

从横向和放射性思维的概念、特征、形式论述中，可以知道横向和放射性思维主导、决定着机械创新设计，作为设计主体的机械设计人员必须注重培养和开发横向和放射性思维的习惯及能力。结合思维导图的五步式思维训练能够让学生巧用横向和发散性思维，充分挖掘自身潜能，形成创新意识和能力，针对任何新的机械设计需求，能充分发挥自己的横向和放射性思维，设计出前所未有的新产品、新技术，真正做到“创新”。

参考文献：

[1]赵新军，李晓青，钟莹.创新思维与技法[M].中国科学技术出版社，2014.

[2]张有忱，张莉彦.机械创新设计[M].清华大学出版社，2011.

[3]腾启，宋可总.机械创新设计的研究[J].锻压机械，2002，37（3）：6-8.

[4]杜永平.创新思维与创造技法[M].北京交通大学出版社，2011.

[5]兰玉琴，徐艳辉.教师要培养学生的创新能力[J].中华少年，2015，（30）.