基于方程视角的科技创新方法及应用研究

黄国海

摘  要：科技创新方法是进行科技创新活动的手段，提出科技创新活动由学习、改进两道工序构成，以4种学习区域和6种改进方法的组合构建科技创新活动的方法方程，该方程的系数取不同的值得到不同的方法方程，根据方法方程对钢笔进行了创新设计，得到各种各样的新钢笔，论证了基于方程视角构建的创新方法形式简洁、内容丰富、效果出色。

关键词：创新;排列组合;方法方程;钢笔;应用

国家明确提出"十四五"时期要显著提升创新能力、明显提高科学文化素质，站在教学角度，实现这些新目标主要通过科学教学培养学生的科学核心素养。科学教学常规模式是科学探究[1]，科技创新活动是一种最有价值的科学探究，科技创新方法是科学创新活动取得实效的关键。现有关于科技创新的方法多种多样，但是方法的表述形式教条，内容多杂、结构凌乱，减弱了对科技创新活动的指导作用。从逻辑学知道，内涵越少的概念其外延越大，而方程是左右相等的式子，其內涵很少，寻找一种方程将科技创新方法进行概括、提炼，像解方程一样解出来是一个有意义的研究问题。基于方程视角本文探究科技创新方法，提出了一种方程，完整表述科技创新方法，在科学教学过程中实施取得一定的效果。

一、科技创新方法

科技创新方法由学习、改进二道工序构成，各自分工、相互配合、相互依存，共同作用产生科技创新的方法功能。

学习是科技创新方法的第一道工序，通过学习学生认识科学现象、获得科学原理、掌握现有产品的性能等，经常学习各种产品的性能为科技创新提供了鲜活的知识，是持续科技创新的源泉。一个产品的功能、结构、原理、形状是学习的四个区域。功能学习让学生知道该产品具有什么用途，具有什么好处，能够干什么等，如钢笔的功能是书写。结构学习告诉学生产品的骨骼、产品的链接、产品的安装、产品的运动等。原理学习告诉学生产品用什么力、什么方式、什么机构、什么能量、什么步骤进行工作。形状学习了解产品的外在相貌、形象、造型、图案、颜色、大小等方面的特征。

改进是科技创新方法的第二道工序，科技创新的改进有合法、去法、换法、反法、抄法、预法等六种方法，前五种方法适用于对现有产品的创新设计，预法适用于还不存在的产品，方向指向明天、将来的创新设计。

合法是对现有产品进行功能组合、结构相并、体积变大、物质变重、颜色搭配、造型靠近等。去法是对现有产品进行个别功能的取缔、个别结构的去除、把体积去除变小、把空间去除减小、把重量去除变轻等。换法是对现有产品进行材料更换、功能变换、结构变换、原理变换、黑色改换为蓝色、圆形改换为方形等。反法是对产品进行各方面的相反改变，有功能相反、结构相反、原理相反、形状相反，倒过来、逆向、倒置也是反法。抄法是将另一个产品的区域的状态进行抄袭、仿照、类比、借用、模仿到现有产品上的方法，包括抄袭动物的功能、结构、原理和形状区域状态及人的功能、结构、原理和形状区域状态。预法针对明天、将来，展开发散联想提前预计、设想个人有什么需求、社会有什么发展趋势，结合学习获得的知识来进行从0到1的新产品的构思、设计、构造、修改、计划、制作等，在改进的6种方法里它是难度大、价值高的方法，最有挑战性。

二、科技创新的方法方程

科技创新方法由学习、改进两道工序组成，进行一项科技创新活动，就像进行流水线工作，第一步进入学习工序，认识、理解、掌握现有产品的功能、结构、原理和形状四个区域的特征，第二步进入改进工序，将需要创新的产品放在工作台上，使用合、去、换、反、抄、预六种方法工具选择该产品的功能、结构、原理、形状等一个区域或几个区域进行加工。这样第一步工序有4种情况，第二步工序有6种情况，合计有2道工序10种情况。

（一）方法方程

进行一次科技创新活动有2道工序10种情况，第一道工序有4种学习情况，根据排列组合，合计有 种学习组合状态，其任一种学习状态用表示，其中i=1表示在功能、结构、原理、形状4种学习情况中选择一种的学习组合状态，i=2表示在功能、结构、原理、形状4种学习情况中选择二种的学习组合状态，i=3表示在功能、结构、原理、形状4种学习情况中选择三种的学习组合状态，i=4表示在功能、结构、原理、形状4种学习情况中全部选择的学习组合状态。第二道工序有6种改进方法，根据排列组合，能够使用的加工改进方法合计有种改进组合状态，其任意一种组合状态用表示，其中j=1，表示在合、去、换、反、抄、预6种改进方法中选择一种方法的改进组合状态，j=2表示在合、去、换、反、抄、预6种改进方法中选择二种方法的改进组合状态，j=3、j=4的表示同理类推。

根据科技创新方法的两道工序性结构，第一道工序有种状态，第二道工序有种状态，完成一次科技创新活动必须两道都要存在，缺一不可，因此科技创新活动的加工方法是第一道工序的状态与第二道工序的状态的组合，根据排列组合，则有种科技创新加工方法，将这种科技创新加工方法对一件产品进行创新加工作用得到另一种新产品。基于方程视角，在产品、创新方法、新产品之间存在一个相等关系，即方法方程：

其中字母x表示现有任何产品，如一种钢笔。方程系数表示一种科技创新方法，字母y表示用科技创新方法对产品x进行作用后得到的新产品。

（二）方法方程的变形

在方法方程（1）中，令i=1、j=1得到，该方程说明，对现有产品x选择第一道工序的一种区域学习、用第二道工序的一种改进方法组合进行创新加工得到一种新产品y。

在方法方程（1）中，令i=1、j=2得到，该方法方程说明，对现有产品x选择第一道工序的一种学习区域、用第二道工序的二种改进方法组合进行创新加工得到一种新产品y。

在方法方程（1）中，令i=2、j=1得到，该方法方程说明，对现有产品x选择第一道工序的二种学习区域、用第二道工序的一种改进方法组合进行创新加工得到一种新产品y。

依次类推，方法方程（1）的系数取不同的值得到不同的变形的方法方程，对应得到其它不同的创新新产品，所以方法方程（1）形式简洁，内容丰富。

三、方法方程的应用

下面以钢笔的创新为例揭示方法方程（1）的应用。

在方法方程中，令x=钢笔，则y=新钢笔，得到方程：

  （2）

（一）在方法方程（2）中，令i=1、j=1，得到如下六种变形的方法方程

（1）学习 功能 合 钢笔= 新钢笔。通过学习知道现有钢笔具有书写的功能，对书写功能进行合法改进，启示学生对钢笔组合具有注射药水的功能，儿童医院里的护士如果采用钢笔注射器给患病儿童注射药水，他们就不会害怕了，得到注射钢笔。

（2）学习 功能 去 钢笔= 新钢笔。通过学习，对现有钢笔的书写功能进行去法改进，指引学生思考去除钢笔的书写功能后要去除笔尖，没有笔尖的钢笔可以用来画眉毛、按摩皮肤、装香水等。

（3）学习 功能 换 钢笔= 新钢笔。通过学习对现有钢笔的书写功能进行换法改进，启发学生将钢笔的功能改换为其它，得到切割钢笔、洗刷钢笔、录音钢笔、绣花钢笔等。

（4）学习 功能 反 钢笔= 新钢笔。通过学习对现有钢笔的书写功能进行反法改进，提醒学生书写的相反是不书写，不能书写的钢笔有什么用途？逼迫学生思考出喝药钢笔、吸污钢笔、点烟钢笔等。

（5）学习 功能 抄 钢笔= 新钢笔。通过学习对现有钢笔的书写功能进行抄法改进，抄谁的功能？抄什么功能？怎么抄？抄毛笔的功能得到带有墨水囊的毛笔钢笔;抄打印机的功能得到具有打印功能的打印钢笔，笔直划过去得到一行打印好的字体。

（6）学习 功能 预 钢笔= 新钢笔。通过学习对现有钢笔的书写功能进行预法改进时，让学生预测明天、将来人们需要什么样的钢笔？结合学习的获得的资源进行发散思考，得到血糖钢笔、折叠钢笔、纸片钢笔、水果钢笔、刷牙钢笔等。

其它形同i=1、j=1的方法方程（2），如 学习 结构 合 钢笔= 新钢笔、 学习 结构 去 钢笔= 新钢笔、学习 结构 换 钢笔= 新钢笔、学习 结构 反 钢笔= 新钢笔、学习 结构 抄 钢笔= 新钢笔、学习 结构 明 钢笔= 新钢笔 等18种变形的的方法方程限于篇幅，在此省略。

（二）在方法方程（2）中，令i=1、j=2，得到如下一些變形的方法方程

（1）学习 功能 合 去 钢笔=新钢笔。经过学习，先用合法改变对钢笔附加一个能够擦除的功能，然后用去法改变钢笔用墨水书写的功能，自然导致没有墨水、能够擦除的新钢笔。

（2）学习 功能 去 合 钢笔=新钢笔。经过学习，先用去法改变钢笔用墨水书写的功能，得到输液钢笔，然后用合法改变输液钢笔，得到能够测量体温、能够输液的新钢笔

（3）学习 功能 合 反 钢笔=新钢笔。学习钢笔的功能，先用合法对钢笔附加一个能够擦除的功能，然后用反法改变钢笔的书写的功能，得到能够按摩、能够擦除的新钢笔。

以此类推，根据方法方程（2）得到其它形如i=1、j=3，i=1、j=4，i=2、j=1，i=3、j=2，i=4、j=2等变形的的方法方程。

三、方法方程的意义

在科学教学实践中，把现有的任何产品x代入科技创新的方法方程里，能够引领学生快速集中于有价值的方向，减少思路走偏的几率。学生逐一按部就班依次改变i、j的值，得到多种变形的方法方程，对应得到一种改进的方法思路，集中精力，迅速获得新产品。该科技创新的方法方程学习难度不大，教师使用6个课时的课堂教学使学生掌握是可行的。如果得到一种方法方程，配合奥斯本的发散思考、讨论方法【3】，从简单物品的改进着手，进行反复练习，能够熟练学生的产品创新技能，提高学生的创新能力。

在上述科技创新方法的指导下，经过几年的教学实践，科技创新活动取得一些效果。设计出"自来水井防冻装置"、"汽车刹车报警器"、"太阳能供水取水装置"、"致冷风扇"、“传声实验装置”、"农田浇水报警器"、“乒乓球凹陷修正器"、 “头盔防雾护罩”、“教室投影仪自动控制装置”等累计368件科技创新产品。教师和学生参加青少年科技创新大赛，获得市级一等奖3项，二等奖6项，三等奖3项;省级一等奖1项，二等奖4项。学生发表省级科技创新论文2篇，教师多次获科技创新优秀辅导教师称号。这些科技创新的成绩对于学生人数少、地处农村的学校，证明科技创新的方法方程具有一定的教学意义。

参考文献：

[1]郭根福，袁来军.新教材疑难问题研究与解决[M].长春：东北师范大学出版社，2009.4-12.

[2]全国青少年科技创新大赛规则（2017年修订版）.

[3]王星华，白凌燕.创新思维工具在创客教育中的应用研究[J].中国信息技术教育，2020（22）：59-62.

作者简介：黄国海，中小学高级教师，研究方向：主要从事中小学科学教学工作和科技创新方法研究。