创新法：转向新思维

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：公元2世纪，托勒密提出关于天体运行的系统理论，称为“地心说”。他突破了传统的“地心说”的束缚，创立了新的天体理论体系“日心说”。针对这一缺点，当时多数人认为应通过进一步提高灯泡内的真空度加以克服，但是美国科学家兰米尔却应用反向探求法提出一个新的解决问题的思路。

1.变换方向法

创新活动是探索性的实践活动，现代的创新活动通常是有计划、有目的的实践活动。在创新实践活动中，人们按照自己的计划去探索未知世界的秘密，按照预想的方法解决那些尚待解决的问题。在实践过程中，人们会发现某些计划、方法在实践中行不通，这时应根据实践过程提供的信息，及时修正计划、修改方法，继续有效地探索。

1）变元法

人们在探索某些问题（函数）解的过程中通常将一些因素（自变量）固定，探索另外一些因素（变量）对所求解问题的影响，但有时求解的关键因素恰恰在被固定的那些因素当中；由于思考问题的习惯模式的限制，往往把某些影响因素看作是不变的（将变量看作常量），这就限制了求解区域。意识到这一点，在问题求解的过程中通过变换求解因素，常可获得意外的结果，这种方法称为变元法。

公元2世纪，托勒密提出关于天体运行的系统理论，称为“地心说”。这种模型对天体的解释符合人们的日常观察习惯，在天文观测精度不高的情况下也能解释观测结果。哥白尼认真研究了大量的天文观测资料，并亲自从事了30多年的天文观测。他突破了传统的“地心说”的束缚，创立了新的天体理论体系“日心说”。

普通水闸通常沿垂直方向开启和关闭，而英国泰晤士河防潮闸则设计为以旋转运动实现闸门的开启和关闭。

压路机通常依靠自身质量实现对路面的压实，振荡式压路机除靠自身质量的作用外，还通过机身的振荡增强碾压效果。

2）变理法

变理性设计的目的是实现某种功能，而很多不同的作用原理可以实现相同或相似的功能，当采用某种作用原理得不到预期的效果时，可以探索其他的作用原理是否可行。

在机械表的设计中，通过擒纵调速机构调整表的走时速度，擒纵调速机构中摆轮和游丝所构成的质量弹簧系统的摆动频率成为机械表的时间基准。由于这一系统的频率受到温度、重力、润滑条件等众多因素的影响，因此，很难通过这一系统以廉价的方法获得长时间稳定运转的时间基准。人们寻求用其他的工作机理作为时间基准时发现石英晶体振荡器电路以其极高的频率稳定性可以满足对计时精度的要求。石英电子表采用石英晶体元件作为新的时间基准元件大幅度地提高了计时精度，同时简化了计时器的设计和结构。

美国发明家卡尔森在从事律师工作中看到复制文件需要花费大量的人力劳动，于是萌生了发明复印机的设想，但多次试验均遭失败。他冷静地思考失败的原因，并通过查阅大量专利文献发现以前所有关于复印机的研究都只是试图通过化学方法实现复印，于是他改变研究了方向，探索用物理效应实现复印功能，最后应用光电效应发明了现在广泛使用的静电复印机。

远距离信息传递通常将信息转换为电信号，使用电缆作为媒介进行传递，信息传递容量小，抗干扰性差，敷设电缆需要消耗大量有色金属，价格昂贵。现在普遍采用的光缆通信方式以激光束作为信号载体，以光导纤维（玻璃纤维）作为传播媒介，克服了电缆信号传输的缺点，极大地提高了信息的传递能力。

以前的照相机是将光学影像信息记录在底片上，用光学方法进行处理，处理过程中的失真是不可避免的。新近发明的数字照相机将影像信息以数字信号的方式存储在磁盘上，由于采用数字方式存储图像信息，使得可以应用计算机的各种数字信号处理技术对影像信息进行存取、处理、变换和传递，提高了图像信息处理的质量和图像信息传递的速度，扩大了照相技术的应用领域。

早期的计算机使用卡片作为信息存储媒介，通过读卡机存取信息，这种信息存储方式费事、费力，使用很不方便。后来出现了纸带和磁芯存储方式，方便了操作，提高了存储的可靠性，但是存储介质的体积庞大，存储容量小。现在的磁盘、磁带、光盘等采用较先进的存储方式，既方便操作，又使其体积成百上千倍地缩小，因而成为普遍使用的存储方式。

在平板玻璃的制造中，在很长时期内一直采用“垂直引上法”，这种方法是将处于半流体状态的玻璃从熔池中向上牵引，通过中间的轧辊间距控制玻璃厚度，玻璃经过轧辊后逐渐冷却凝固。用这种方法制造的平板玻璃不可避免地出现波纹和厚度不均的现象。英国的一家玻璃制造公司发明了一种新的平板玻璃制造工艺——“浮法”，这种工艺是使液态玻璃漂浮在某种处于液态的低熔点金属的液面上，并使其在流动中逐渐凝固。用这种方法制造的平板玻璃不但厚度非常均匀，而且表面没有波纹，这种工艺方法现已被普遍使用。

2.逆向法

在问题求解的过程中，由于某种原因使人们习惯向某一个方向努力，但实际上问题的解决可能位于相反的方向上，意识到这种可能性，在求解问题时及时变换求解方向，有时可以使很困难的问题得到解决。

1）反向探求法

圆珠笔发明以后曾风行一时，但不久就暴露出笔油泄漏的毛病。中田藤三郎没有像其他人那样设法延长笔珠的使用寿命，而是向相反的方向寻求问题的解，他创造性地提出，如果控制圆珠笔芯中油墨的量，使所装油墨只能书写大约15 000字，当漏油的问题还没有出现时笔芯就已被丢弃了。

在钨丝灯泡发明初期，为了避免钨丝在高温下氧化，需要将灯泡内抽真空，但是后来发现抽真空后的灯丝通电后仍会变脆。针对这一缺点，当时多数人认为应通过进一步提高灯泡内的真空度加以克服，但是美国科学家兰米尔却应用反向探求法提出一个新的解决问题的思路。他提出向灯泡内充气的方法，因为充气比抽真空在工艺上要容易得多。他分别试验了将氢气、氧气、氮气、二氧化碳、水蒸气等充入灯泡，试验证明氮气有明显的减少钨蒸发的作用，可使钨丝在其中长期工作。就这样，他发明了充气灯泡。

活塞式内燃机工作时活塞在气缸中做直线往复运动，往复运动中的惯性力成为提高内燃机转速的重要障碍。针对这一缺点，德国人汪克尔发明了旋转活塞式内燃机。为了解决活塞和气缸之间的磨损问题，他开始时也是采用人们所习惯的方法，尽可能选用较硬的材料制作有关零部件，但是，气缸壁材料硬度的提高却加剧了活塞的磨损。这时，工程技术人员运用反向探求法，提出寻求用较软的耐磨材料做气缸衬里的思想，并选择石墨材料，较好地解决了磨损的问题，使得这种发动机能够投入工业化生产。

在冲压加工中，冲裁是通过凸模与凹模的相对运动将板材沿特定曲线剪断的加工工艺过程。加工中冲裁阻力很大，因此模具很容易磨损。为提高模具的耐磨性，在模具的制造中人们总是设法提高模具材料的硬度。但是随着材料硬度的提高，给模具的加工工艺带来很多新的困难。为解决这种矛盾，有人发明了一种新的模具制造方法。在这种方法中凸模仍采用较硬材料制造，而凹模则采用一种较软的特殊材料制造。在冲裁加工中，凸模和凹模都不可避免地会发生磨损，但是凹模材料在冲裁力的作用下还会发生塑性变形，这种塑性变形的方向总是弥补由于磨损造成的模具的材料损失，并使凸模与凹模之间保持适当的间隙。这种方法虽然不能避免或减少模具的磨损，但能使模具的磨损自动得到补偿，使冲裁模具具有较高的使用寿命，同时降低了对模具制造精度的要求，经济效益非常显著。

2）因果颠倒法

在自然界中，很多自然现象之间都是有联系的，在某个自然过程中，一种自然现象可以是另一种自然现象发生的原因，而在另一种自然过程中，这种因果关系可能会颠倒。探索这些自然现象之间的联系及其规律是自然科学研究的任务。

1799年，意大利科学家伏打将锌片和铜片放在盛有盐水的容器中，发明了能够将化学能转变为电能，并能提供稳定电流的“伏打电池”。有一些科学家意识到这一过程的逆过程的重要的科学意义，并开始进行将电能转变为化学能的试验。英国物理学家、化学家尼科尔森和英国解剖学家卡莱尔进行了电解水的试验，他们将连接电池两极的铜线浸入水中，使两线接近，这时一根铜线上产生氢气，另一根铜线被氧化。如果用黄金线代替铜线，则两根导线上分别析出氢气和氧气。1807年英国化学家戴维应用电解法发现了金属元素钾和钠，1808年又用同样的方法发现了钙、锶、铁、镁、硼等元素。

19世纪以前，电和磁一直被人们当作两种互不相干的现象进行研究。丹麦物理学家奥斯特从1807年开始，对这两种自然现象的关系进行了长达13年的研究。他证明了电流的磁效应：通电导线会绕磁极旋转，磁铁也会绕固定的通电导线旋转。奥斯特的发现奠定了电动机的基本工作原理。

法拉第认为电现象与磁现象之间的关系是辩证的关系，既然电能够产生磁，那么磁也应能够产生电。他从1822年开始寻找磁的电效应。经过长达10年的试验，法拉第终于在1831年8月29日发现了变化的磁场所引起的电磁感应现象。他又设计了一系列的电磁感应试验，试验表明，无论用任何方法使通过闭合回路的磁通量发生变化时，都会使回路中产生感生电流，这就是电磁感应定律，这个发现奠定了发电机的基本工作原理。

爱迪生发明的留声机也是对声音能引起振动现象中的原因和结果的颠倒应用，而热机的发明则是将“做功可以产生热”的现象中的原因和结果颠倒，使热能做机械功。

3）顺序、位置颠倒法

人们在长期从事某项活动的过程中，对解决某类问题的过程及过程中各种因素的顺序及事物中各要素之间的相对位置关系形成固定的认识，将某些已被人们普遍接受的事物顺序或事物中各要素之间的相对位置关系颠倒，有时可以收到意想不到的效果。在适当的条件下，这种新方法可能解决常规方法不能解决的问题。

人们用火加热食品时总是将食品放在火的上面，当热源的形式改变以后人们仍然习惯这样安排热源和食品的位置。夏普公司生产的一种煎鱼锅开始也是这样设计的，但是在使用中发现，在鱼被加热的过程中，鱼体内的油会滴落，滴到下面的热源后即产生大量的烟雾。公司改用多种加热装置仍不能解决冒烟的问题。他们重新检查原有的设计思路，提出一个根本性的技术问题。为什么一定要把热源放到鱼的下方呢？如果改变热源和鱼的相对位置关系，下落的鱼油不接触热源，也就不会产生烟雾。根据新的设计思路，他们将热源放到煎鱼锅的盖子上，采用上加热方式设计出一种新型无烟煎鱼锅。

有一位高尔夫球爱好者因为家中没有可供练习用的草坪，他只好买来长毛地毯代替草坪进行练习。但是地毯的尺寸毕竟太小，仍不能满足练习要求。他想，无论使用草坪还是使用长毛地毯，都是希望对球实施缓冲和增大摩擦力，如果将这种功能实施过程反过来，使长毛长在球上，而不是长在地上，是否可以起到同样的作用呢？根据这种思路，他发明了训练用长毛高尔夫球，经使用证明在普通地面上使用可获得与草坪上相似的效果，特别受到那些无力支付昂贵的草坪费用的高尔夫球爱好者的欢迎。

人们在使用基数词或是序数词时，总是习惯于按照从小到大的顺序排列。1927年德国某电影公司在拍摄科幻影片《月球少女》时，为了获得戏剧性的效果，导演提出了一个极具创造性的方法，他将火箭发射时的计时程序从人们所习惯的从小到大的顺计时程序改变为从大到小直到零的倒计时程序，这种倒计时方法使用简单、方便，使人们对最后的发射时间有明确的目标感，容易使人的注意力集中。这种方法现在不但被真实的火箭发射过程所使用，而且也成为很多其他重要活动的计时方法。

电动机中有定子和转子，在通常的设计中，都是将转子安排在中心，便于动力输出，将定子安排在电动机的外部，这样可以很容易地安排电动机的支撑。但是在吊扇的设计中，根据安装和使用性能的要求，却需要将电动机定子固定于中心，而将转子安装在电动机外部，直接带动扇叶转动。

有一种防火材料，把这种材料附在蒙古包的表面，在外面架起大火烧，里面温度变化很小，试验证明防火性能良好。有人将这种材料的功能反过来加以利用，用它做冶炼炉的炉衬，既提高了燃烧的热效率，又提高了炉龄。应用中将材料与火的位置加以颠倒，原来用于防火的材料成了保温材料。

有些产品在设计上使其在各个方向上对称，这种产品可在对称方向上任意放置，如无跟袜可在任意方向穿着，两面穿着服装无内外之分，有些电冰箱将冷冻箱和冷藏箱设计成分体式结构，用户可根据需要按任意顺序组合放置或分体放置。

4）巧用缺点法

我们在认识事物时，将事物中通常带来好结果的属性称为优点，将通常带来坏结果的属性称为缺点。我们通常较多地注意事物的优点，但是当应用条件发生变化时，可能我们需要的正是事物中原来被我们认为是缺点的某些属性。正确地认识事物的属性与应用条件的关系，善于利用通常被认为是缺点的属性，有时可以使我们得出创造性的成果。

例如，金属易受腐蚀是它的缺点，但是有人根据金属的腐蚀原理发明了蚀刻和电化学加工方法；机械结构的不平衡会引起转动时振动，利用这一原理，有人发明了用于在建筑施工中夯实地基的机械夯（蛤蟆夯）。

金属材料的氢脆性是影响材料性能的缺陷，在使用中会造成很大的危害，在冶炼中应尽力避免氢脆性。但是在某些情况下，金属材料的氢脆性也可以成为被利用的特性。例如，在制造铜粉的工艺中就可以利用铜的氢脆性，将废铜丝和铜屑放在氢气环境中，加热到500～600℃并保温数小时，再放到球磨机中经过一段时间的研磨，就可制成质量很高的铜粉。

有一位德国的造纸技师，由于在造纸过程中的一道工序上忘记了放糨糊，致使所生产的纸张因为洇水而无法用于书写，造成大量产品即将报废，他也因此面临被解雇，这时有人建议利用这种纸的易洇水的特点，将其作为吸墨水纸，结果使用效果非常好，工厂为此项技术申请了专利。

创新法：转向新思维

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