（本科）《大学生创新基础》第十一章ppt课件.pptx

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1、课程主讲人：大学生创新基础第十一章第十一章 组分型创新方法大学生创新基础34引导案例：自行车卡槽与可分离式模块化客舱近些年来，为减缓城市道路交通拥堵压力，响应绿色环保出行号召，许多大中小城市开始大力推广自行车出行。对于政府部门来说，在原有已规划道路的基础上，如何更合理有效地设计和布局自行车停车位，既能保证骑行者停用方便和有序停放，又能保证自行车大量应用于拥挤的商业、娱乐等人流聚集区等，这些均成为推广自行车出行中需要解决的问题。在试着解决上述问题过程中，如出现了一款非常独特的设计产品，可以解决部分道路自行车停放问题，不禁让我们脑洞大开。产品设计师瞄准现有的人行道，在道路边缘设计了一款卡槽，当人们

2、需要停放自行车时，按起卡槽，将自行车前轮插入并上锁；当人们取出自行车时，卡槽又重新恢复到与地面齐平的位置。这款设计开拓性地将人行道与停车卡槽组合在一起，合理利用资源，提供了更充足和更便利的停车位；卡槽支撑架与卡槽本身在使用时的闭合与分离，更是经过巧妙地运用组合和分解方法，形成了富有创造性的设计方案。5引导案例：可分离式模块化客舱设计飞机出事的概率虽然不高，但几乎每次失事都会带来百分百的灾难性后果。近两年，马航MH370、马航MH17、德国之翼、俄罗斯客机的失事，给家属造成的心理阴影难以估量。相信每一位坐飞机的乘客，在登机的一刹那，都心有戚戚焉。但也许今后，飞机失事的概率会因为一项科技而大大降低

3、。来自乌克兰的一位设计者设计了一款飞机，这款飞机的亮点在于它拥有可分离式模块化客舱。与一般的候机不同，乘客（包括货物）事先已经坐在客舱里候机，飞机到来后，直接将模块化客舱与飞机进行对接即可。6引导案例：可分离式模块化客舱设计如图11-1所示，飞行途中，如果遇到无法人为挽救的事故，可以在经过合法的判断流程后，将客舱与机身脱离。之后，采用双减速伞模式，以及落地反射喷气装置、气垫缓冲装置，使得客舱安全着陆。如果是在水域上空，也可以采用类似的方式。不仅如此，这个设计还有另外一个好处，它可以大大加快乘客登机出机的时间，大家以后直接在机舱里候机，等到飞机一到，除了正常检修以外，把机舱直接对接上就可以了。目

4、前，这个方案的设计者Tatarenko Vladimir Nikolaevich已经在美国与俄罗斯申请了专利，希望这项科技能够早日投入使用，以后坐飞机就再也不担心了。图11-17大学生创新基础第一节 形态分析法8第一节 形态分析法一、形态分析法的来源二战期间，美国加州理工学院教授、美籍瑞士天文学家F茨维基在研究火箭结构方案时，运用了一种创意思考方法。他根据当时可能的技术水平和物质条件，在一周之内共得到了576种不同的火箭构造方案，其中有许多是对美国火箭事业的发展很有价值的构想。更为有趣的是，当时，法西斯德国正在研制新型巡航导弹和火箭，美国情报部门费尽心机也没有获得有关技术情报。而在茨维基的构想

5、里则包括了当时法西斯德国正在研制并严加保密带脉冲发动机的“V-1型”和“V-2型”导弹，因而，等于获得了技术间谍都难以弄到的技术情报。这种神奇的创意思考方法就是茨维基于1942年创立的形态分析法。9第一节 形态分析法二、什么是形态分析法？形态分析法，又称“形态矩阵法”、“形态综合法”，它是借助形态学的概念和原理，通过对创造对象的构成要素进行分析（因素分析），再对构成要素所要求的功能属性进行分析（形态分析），列出各因素可能的全部形态（包括技术手段），在因素分析和形态分析的基础上，采取表格的形式进行方案聚合，再从聚合的方案中择优的一种系统思维的方法。用公式表达为某事物M有A、B、C三大要素，A有x

6、种可能选择，B有y种可能选择，C有z种可能选择，则某事物可能的方案数为M=x*y*z。10案例11-1：挖掘机形态学矩阵功能元功能元功能元的解功能元的解 （功能载体）（功能载体）铲斗铲斗正铲斗反铲斗抓斗推压推压齿条钢丝绳油缸提升提升油缸绳索回转回转内齿轮传动外齿轮传动液轮运送物料运送物料履带轮胎迈步式轨道-齿轮能量转化能量转化柴油机汽油机电动机液压马达能量传递与分配能量传递与分配齿轮箱油泵链传动带传动制动制动带式制动闸瓦制动片式制动圆锥形制动变速变速液压式齿轮式液压-齿轮式以挖掘机的改进方案思考为例，用形态学矩阵进行方案综合，就可以得到多种原理方案。在表11-2中，将挖掘机功能元分解为九大基本

7、要素并分别对每一个要素的形态进行分析：铲斗（3种形态：正铲斗、反铲斗、抓斗）、推压（3种形态：齿条、钢丝绳、油缸）、提升（2种形态：油缸、绳索）、回转（3种形态：内齿轮传动、外齿轮传动、液轮）、运送物料（4种形态：履带、轮胎、迈步式、轨道齿轮）、能量转化（4种形态：柴油机、汽油机、电动机、液压马达）、能量传递与分配（4种形态：齿轮箱、油泵、链传动、带传动）、制动（4种形态：带式制动、闸瓦制动、片式制动、圆锥形制动）、变速（3种形态：液压式、齿轮式、液压齿轮式）。表11-211案例11-1：挖掘机形态学矩阵功能元功能元功能元的解功能元的解 （功能载体）（功能载体）铲斗铲斗正铲斗反铲斗抓斗推压推压

8、齿条钢丝绳油缸提升提升油缸绳索回转回转内齿轮传动外齿轮传动液轮运送物料运送物料履带轮胎迈步式轨道-齿轮能量转化能量转化柴油机汽油机电动机液压马达能量传递与分配能量传递与分配齿轮箱油泵链传动带传动制动制动带式制动闸瓦制动片式制动圆锥形制动变速变速液压式齿轮式液压-齿轮式运用形态学矩阵，可得出33234444341,472个原理方案。在众多的原理方案中，我们应去除那些技术上明显不适用或不可行的方案，保留可行的方案。在剩余的可行方案中，再进行评价与决策，最终定出较为理想的方案。表11-212案例11-2：设计雪上汽车的形态盒形态分析法在解决一般设计问题时最有效，像设计新机器，或者寻找新的概念性方案。

9、我们再来看看雪上汽车设计的形态矩阵。雪上汽车，顾名思义，就是在冰雪上行驶的汽车。经过专业的分析，如表11-3所示，我们将雪上汽车设计参数轴分解为九大基本要素：驱动部分、推进部分、车体支撑、车体类型、悬梁装置、雪上汽车的控制、提供向后运动、刹车、防止冻结到地面上。参数轴参数轴参数类别参数类别驱动部件驱动部件内燃机，汽轮机，电动机，涡轮喷气机，帆（对于雪上汽车还有意义）推进部件推进部件单轮（驾驶员室在轮子里），传统轮子，加肋轮子，椭圆轮子，方形轮子，带汽缸的气动，履带，雪上螺旋桨，滑雪橇，振动雪橇，空气螺旋桨，气垫，能行走的引擎（腿），螺旋形的引擎，弹簧片，脉冲式摩擦引擎，雪上喷气引擎，旋转扳，至

10、少还有15种以上其他引擎车体支撑车体支撑在引擎上，直接在雪上车体类型车体类型开放式舱体，封闭式舱体，双体车，两个舱，串联式悬梁装置悬梁装置引擎，特殊的吸振器，无悬梁装置雪上汽车的控制雪上汽车的控制改变引擎位置，改变推进部件位置，雪舵，空气舵提供向后运动提供向后运动反转引擎，反转推进元素，不能反转刹车刹车主引擎刹车，辅助引擎刹车，空气刹车，雪刹车防止冻结到地面上防止冻结到地面上机械的，机械的但需要引擎帮助，电力的，化学的，热的，不能防止表11-313案例11-2：设计雪上汽车的形态盒其中每个基本要素的参数轴又分解为若干个形态的参数类别：驱动部分可分为内燃机、汽轮机、电动机、涡轮喷气机、帆等5种形

11、态推进部分经过发散性思考可分为单轮（驾驶员室在轮子里）、传统轮子、加肋轮子、椭圆轮子、方形轮子、带气缸的气动、履带、雪上螺旋桨、滑雪橇、振动雪橇、空气螺旋桨、气垫、能行走的引擎（腿）、螺旋形的引擎、弹簧片、脉冲式摩擦引擎、雪上喷气引擎、旋转板等18种以上的形态车体支撑可分解为在引擎上、直接在雪上2种形态车体类型可分解为开放式舱体、封闭式舱体、双体车、两个舱、串联式等5种形态悬梁装置可分解为引擎、特殊的吸振器、无悬梁装置等3种形态雪上汽车的控制可分解为改变引擎位置、改变推进部件位置、雪舵、空气舵等4种形态14案例11-2：设计雪上汽车的形态盒提供向后运动可分解为反转引擎、反转推进元素、不能反转等

12、3种形态刹车可分解为主引擎刹车、辅助引擎刹车、空气刹车、雪刹车等4种形态防止冻结到地面上参数轴可分解为机械的、机械的但需要引擎帮助、电力的、化学的、热的、不能防止等6种形态经过计算可得出上百万种设计方案，在如此庞大的方案矩阵中，需要设计专家尽力排除缺乏新意、没有价值的方案，最终找出理想方案。15第一节 形态分析法三、形态分析法的实施步骤形态分析法的实施具有一定的程序性，其在发明创造求解过程中常分为五个步骤，下面我们将结合一个简单而具体的问题来介绍形态分析法的实施步骤。第一步，明确有待解决的问题。也就是决定接下来要分析的对象，比如设计一款新耳机。16第一节 形态分析法三、形态分析法的实施步骤第二

13、步，因素分析。也就是根据需要解决的问题列出创造对象的所有构成要素。比如设计耳机这个问题，我们主要针对的是耳机的功能和结构，因此没有必要将其生产方式也纳入到我们的分析维度里。如表11-4所示，经过分析可得出耳机设计的五个独立因素：佩戴方式、耳塞数量、工作原理、与设备的连接方式、通话功能。要素一要素一佩戴方式佩戴方式要素二要素二耳塞数量要素三要素三工作原理要素四要素四与设备连接方式要素五要素五通话功能表11-417第一节 形态分析法三、形态分析法的实施步骤第三步，形态分析。即对研究对象所列举的各个因素进行形态分析，运用发散思维列出各因素全部可能的形态（技术手段）。为便于分析和做下一步的组合，这一步

14、往往要采取矩阵列表的形式，把各因素及相对应的各种可能的形态（技术手段）列在表格中。如表11-5所示，耳机佩戴方式的形态有4种：头戴式、耳塞式、挂耳式、入耳式；耳塞数量的形态有2种：单个、双个；工作原理的形态有4种：动圈式、静电式、动铁式、压电式；与设备连接方式的形态有3种：蓝牙、USB接口、针状接口；通话功能的形态有2种：有通话功能、无通话功能。表11-5要素要素形态分析形态分析佩戴方式佩戴方式头戴式耳塞式挂耳式入耳式耳塞数量耳塞数量单双工作原理工作原理动圈式静电式动铁式压电式与设备连接方式与设备连接方式蓝牙USB接口针状接口通话功能通话功能有无18第一节 形态分析法三、形态分析法的实施步骤第

15、四步，形态组合。分别将各因素的各形态一一加以排列组合，以获得所有可能的组合设想。通过上面的分析，这款耳机设计共产生42432=192种可能的组合设想。19第一节 形态分析法三、形态分析法的实施步骤第五步，筛选最佳设想方案。由于所得设想数往往很大，所以设想评选工作量较大，通常要以新颖性、价值性、可行性三者为标准进行多轮筛选和考评。上面我们组合出了192种设想，其中有一部分设想司空见惯，没有新意，有一部分缺乏价值，还有一部分不具可行性，我们要将这些排除掉，在剩下的方案中寻找最佳设想。比如，将挂耳式、单侧、静电式、蓝牙等形态组合在一起，这种耳机不但便捷而且收音效果好。20大学生创新基础第二节 引申方

16、法21第二节 引申方法一、信息交合法1. 什么是信息交合法信息交合法就是一种在信息交合中进行创新的思维技巧，也就是把物体的总体信息分解成两种或两种以上的要素，然后再将这些要素进一步分解成信息因子，把每一种要素及其信息因子以信息标的形式呈现，若干条信息标相交，构成“信息反应场”。每个轴上各点的信息因子可以依次与另一轴上的信息因子交合（或者是与其他物体分解出的信息标交合），从而产生新信息的方法。22第二节 引申方法一、信息交合法2. 信息交合法的实施步骤第一步，确定一个中心，即确定所研究的对象，也就是零坐标（原点）。比如我们研究杯子的改进，就以杯子为中心（如图11-6所示）。图11-623第二节

17、引申方法一、信息交合法2. 信息交合法的实施步骤第二步，根据研究对象的需要列出标线（信息标），即根据需要将中心对象分解成两个或两个以上的信息因素。如将杯子分成功能、材料、形态结构三条信息标（如图11-7所示）。图11-724第二节 引申方法一、信息交合法2. 信息交合法的实施步骤第三步，在信息标上注明信息因子，尽可能地将每一条信息标上的信息因子罗列清楚。信息标是一个有方向的矢量，因此可以将信息因子按照一定的顺序（重要性、等级、时空等）排列在信息标上。如图11-8所示，我们可以将杯子的材料这一信息因素分成塑料、玻璃、木头、纸、金属、瓷等信息因子，杯子的功能这一信息因素分成携带、观赏、存储、盛载等

18、信息因子，杯子的形态结构这一信息因素分为杯盖、杯体、杯把等信息因子，并将其相应地罗列在对应的信息标上。图11-825第二节 引申方法一、信息交合法2. 信息交合法的实施步骤第四步，若干信息标及信息标上的信息点形成信息反应场，信息在信息反应场中交合，引出新信息。如图11-9所示，我们将杯把和储存两个信息交合在一起，可以产生开发一种杯把中放置茶包、汤匙等物件的杯子的想法；信息之间可以随意交合，通过交合可以产生大量的信息。交合的结果有时是因人而异的，同一组信息交合产生的结果可以是多样的，其关键就在于通过信息交合使思路连续畅通，不至枯竭。图11-926第二节 引申方法一、信息交合法2. 信息交合法的实

19、施步骤第五步，在所有产生的新设想中，进行筛选，寻找出最优的方案。利用信息交合法产生的杯子的设计方案可以达到成百上千种，对于信息交合的结晶，我们需要围绕设计需求，根据可行性、实用性、美观性、科学性、创造性等原则，筛选出几种最优的设计方案。27案例11-3：能打印的咖啡机设计师Huang Guanglei 带来了一款能打印图案的咖啡机iCoffee（如图11-10所示）。设计师将咖啡机和打印机两个概念合二为一，只是普通喷墨打印机喷出的是墨水，而iCoffee咖啡机，喷出的却是奶！通过一个类似于打印机喷头的结构，iCoffee咖啡机可以在咖啡的液面上按照需要喷出若干的奶点，从而显现出特定的图案和文字

20、。而这些图案和文字，除了咖啡机中有内置一些外，还可以通过蓝牙从你的手机上读取！以后，要咖啡的时候，将咖啡杯放入咖啡机对准点阵孔部件，设置好图案，就能把自己喜欢的图案或者文字“打印”在咖啡上面了。图11-1028案例11-3：能打印的咖啡机关于咖啡机的改进，我们可以从咖啡机内部系统，比如咖啡机的功能、材质、外观等信息因素出发进行改良，也可以将外部信息引入，如把打印、蓝牙、Wi-Fi等因素组合到咖啡机的设计中，而打印机和咖啡机无论从功能还是原理上都是极不相同的，但是正是这样一个跨界的、不易想到的组合却带来一款更为精致的咖啡机，体现了跨领域信息交合内含的巨大的创新能力。29案例11-4：谷歌眼镜的研

21、发眼镜的诞生原本是用来保护我们的眼睛，矫正视力，增进视觉功能，或是遮挡阳光、装饰脸部轮廓的。而近年来随着“谷歌眼镜”的推出，却让眼镜的身份来了个华美变身。带上“谷歌眼镜”，你可以通过语音控制发送信息、拍照、视频通话、查看地图、位置签到、设置日历提醒、进行好友互动、上网冲浪和处理电子邮件，这款眼镜甚至将兼容新款太阳镜和各种视力矫正眼镜功能。“谷歌眼镜”是谷歌公司于2012年4月发布的一款“增强现实”穿戴式智能眼镜，其主要结构是在眼镜前方悬置一台微型摄像头和一个位于镜框右侧的电脑处理器装置，镜片上配备了一个头戴式微型显示屏，它可以将数据投射到用户右眼上方的小屏幕上，平行鼻托和鼻垫感应器用来横置于鼻

22、梁上方，鼻托里植入电容（如图11-11所示）。这款“眼镜”彻底打破传统眼镜“眼见为实”的功能，通过在眼镜结构上不断地附加电池、CPU、相机、扬声器、麦克风、微型投影仪、棱镜等物质，成为人们获取各类信息、参与人际交流、甚至连接世界的强大工具。图11-1130第二节 引申方法二、主体附加法1. 什么是主体附加法主体附加法是以某一特定的对象为主体，增添新的附件，从而使新的物品性能更好、功能更强的组合方法。它以一种“锦上添花”的方式，在原本已为人们所熟悉的事物上，利用现有的其他产品或添加若干新的功能来改进原有产品，使产品更具生命力。31第二节 引申方法二、主体附加法2. 主体附加法的应用形式主体附加法

23、通常有两种应用形式。一种是不改变主体的任何结构，只是在主体上联接某种附加要素。例如，如图11-12所示，在油炸类食品的碗上加载一个调料盒，既节省空间又方便人们蘸取调料品；或是在蜡烛里放置一盒火柴，保证人们使用时的易取易存；又或是在锅具边缘加装一个倒油口，有效地将食品与油进行隔离，防止溅出溢出。再比如，为了方便母亲喂婴儿，解决婴儿不慎烫伤等问题，我们可以给小汤匙附加上温度计，设计成“温度匙”。 图11-1232第二节 引申方法二、主体附加法2. 主体附加法的应用形式二是要对主体的内部结构作适当的改变，以使主体与附加物能协调运作，实现整体功能。例如，为了减少照相机的体积，有人将闪光灯移至照相机腔体

24、内。这种组合不是将闪光灯与照相机主体简单地联在一起，而是将两种功能赋予一种新的结构形式内藏闪光灯的照相机。又如图11-13所示，烤面包机是一种很常见的厨房电器，但是能够预知天气的面包机就不多见了。在烤面包机内部增加一个接收信息的装置，通过WIFI与网络连接，就能获取当天的天气情况，然后烤在面包上，从而创造性地实现了信息传递和烤制功能的完美结合。图11-1333第二节 引申方法二、主体附加法3. 主体附加法的应用程序第一，有目的、有选择地确定主体。比如，我们确定的主体为日常用到的水杯。第二，分析主体的缺点或对主体提出新的希望和功能。比如，水杯主要是用来盛水、饮水用的，我们希望能发明出一款可以改善

25、水质的水杯，对身体起到间接的保健功能。第三，根据实际需要确定附加物及组合的方案。比如，一位工程师采用主体附加的方式发明了一种磁化杯，这种杯子在杯底、杯盖上分别附加一块磁铁，水杯中的水遇到磁铁被磁化，其溶解度和溶氧量都有所提高。当人们饮用磁化水后，有利于体内各循环系统障碍物的溶解和排除，从而促进人体新陈代谢，很好地起到人体保健作用。34案例11-5：可拆卸360度旋转插座在传统的插排设计中，插排通常是固定不可拆卸的，某个空间可能仅需要用到一两个插排接口足矣，而另外的空间可能需要额外用到更多的插排接口。人们只能根据特定需要购买特定大小的插排，用起来不够灵活多变，而且存在两个相邻的插排接头很容易因为

26、插头过大而无法同时使用的状况。如果我们把插排中的每个插座进行分离，插排由一个一个分离状态的插座组成，人们用到几个插排接口，就组合几个插座，并且每个插座都设计成立体且可自由旋转的，不就可以有效避免传统插排带来的困扰了吗？如图11-14所示，这款多功能旋转可拆卸插排打破了传统插排的设计局限，将壳体、电路板、连接头等进行分解，插座体由多枚可以360旋转的不同类型插座构成，成为非常富有创意的家居用品。图11-1435第二节 引申方法三、分解法1. 什么是分解法分解与组合是两种互为逆向的创意思考方法，分解是通过对某一事物（原理、结构、功能、用途等）进行分解以求创新的方法；组合则是由两个或两个以上的技术因

27、素组合在一起而形成的创意思考方法。分解并不仅仅是一个简单分离的过程，从什么角度加以分解有一定的技巧；组合也并非简单的堆砌和罗列，组合偏重于系统性和目的性，既要符合创新者的意图又要形成一个完善的体系。在具体的创新过程中，分解与组合往往同时使用，形成一种互补式的创意思考方法。36第二节 引申方法三、分解法2. 分解法的步骤分解法的操作比较简单，其基本应用步骤如下：第一步，选取一个完整的事物作为对象。比如，我们以闹钟为例。第二步，根据需要将对象进行分解。我们可以将闹钟分解成闹钟开关和闹钟两部分。第三步，通过对分解的各个部分进行分割、抽离、删除、置换或改造形成新事物。比如，将闹钟开关和闹钟分开放置，将

28、开关放在洗手间，闹钟响时就不得不起床到洗手间将闹钟关闭，这样有助于起早，避免赖床。分解法的关键就在于分解方式的选取，不同的分解方式将带来不同的效果。分解法的实质就在于通过整体还原成部分的方式，重新审视部分对整体的意义以及部分与部分之间的关系，通过部分的变换带来整体的改变。37案例11-6：组分型创新方法在救生圈设计中的应用救生圈是水上救生设备的一种，我们常见的救生圈通常由软木、泡沫塑料或气体比重较小的轻型材料制成，外部包上帆布、塑料等。充分运用组分型创新方法，你能更好地设计出新式的救生圈，更好地帮助人们进行水上救生吗？比如，在距离比较近的海边游泳嬉戏时，发现有人溺水，如何用救生圈进行施救？又比

29、如，当人们不幸落水又一时得不到救援时，我们应该如何利用救生圈尽可能地减小体力消耗？再比如，有一批落水者散落在海面上需要救援，救生圈可以自动组合在一起吗？在这样的一些场景中，我们应该如何更好地设计游泳圈？38案例11-6：组分型创新方法在救生圈设计中的应用结合本章内容，让我们一起来目睹几款极富创造性的救生圈设计。在有人溺水的场所，我们多么希望能扔个救生圈过去救人一命，但是前提是我们能把救生圈准确地扔到溺水者身边，可是距离相对太远、力量有限，怎么办？鉴于此，韩国设计师设计了一款遥控救生圈，或许能够帮到大忙了。如图11-15所示，这款救生圈内部设置有4个方向的螺旋桨，外设遥控器装置，在紧急情况下，即便我们不能将救生圈扔到溺水者周边，也可以继续通过遥控器控制救生圈移动的位置，帮助救生圈运动到溺水者身边。图11-15大学生创新基础