2.1 设计的创造性思维和工程思维 课件-2024-2025学年高中通用技术粤科版（2019）必修 技术与设计1

2.1设计的创造性思维和工程思维 目录 壹 创造性思维 贰 工程思维 港珠澳大桥 常见的跨海大桥，都是建造桥墩，架设桥梁。但这种常见的建桥方法，在港珠澳大桥建设中却行不通。因为大桥靠近香港方向有一条伶仃洋航道，是全球最重要的贸易航道，目前通航等级达10万t，远期规划可通行30万t油轮。如果采用常见的跨海桥梁的多跨形式，就必须要修建一座桥面高度超过80 m，桥塔高度达到200 m的超级大桥。然而，附近 的香港机场并不允许有超过88 m的建筑物矗立在它的飞行航线上。与此同时，港珠澳大桥 的建设，还必须考虑10%阻水率的要求。伶仃洋是典型的弱洋流海域，每年从珠江口夹杂 着大量的泥沙，涌入海洋，大桥的桥墩就像阻挡泥沙的篱笆，超过10%的阻水率，泥沙就 可能被阻挡沉积，从而阻塞航道，让伶仃洋变成一片冲积平原。 港珠澳大桥伶仃洋航道段按传统方法在海面上建设行不通，能不能建到海底里？港 珠澳大桥设计团队从逆向思维中形成了这一创造性的构思。在此基础上，设计团队对大桥 建设的造价、安全、环保、施工的难易程度，以及对珠江口国家一级保护动物中华白海豚 保护区的影响等各种因素进行了系统的分析、比较和权衡，终于形成了港珠澳大桥建设的 “桥—岛—隧”结构设计方案。 创造性思维 第一节 1．发散思维 ①过程具有流畅性（强调数量多） ②思路具有变通性或灵活性（强调范围广） ③结果具有独创性（强调观念新）。 发散思维是根据已知的事物信息,从不同的角度、不同的方向思考,以寻求解决问题的多样性答案的思维方式。 ---思维方向的发散性（由一到多） 2.头脑风暴法 （适合群体） ①地位： ②特点: 是一种集思广益的群体思维发散技法。 以会议的形式开展，要求有人主持会议，会议有讨论的主题。在会议进入自由畅想阶段，不宜过早地评判他人的设想，以利于其他设想能够顺利地产生。 “延迟评判”“以量求质” “延迟评判”:头脑风暴，必须坚持当场不对任何设想作出评价的原则，一切评价和判断都要延迟到会议结束以后才能进行，这样做一方面是为了防止评判约束与会者的积极思维，另一方面是为了集中精力先开发设想，影响创造性设想的大量产生。 “以量求质”:头脑风暴会议的目标是获得尽可能多的设想，追求数量是它的首要任务，参加会议的每个人都要抓紧时间多思考，多提设想，至于设想的质量问题，自可留到会后的设想处理阶段去解决，在某种意义上，设想的质量和数量密切相关，产生的设想越多，其中的创造性设想就可能越多。 ③原则： 如三个臭皮匠顶个诸葛亮 1.检核表法：（适合个体） 主要是通过对所设想问题的几个方面进行详细检查,从看似“毫无问题”的事物中找到思维创新的突破口,以求产生创新的思路。 这一技法主要从他用、借用、改变、扩大、缩小、代替、调整、颠倒、组合等九个方面进行思维发散。 2．逆向思维 1820年，丹麦哥本哈根大学物理教授奥斯特，通过多次实验发现存在电流的磁效应。这一发现吸引了许多科学家参与电磁学的研究。 英国物理学家法拉第怀着极大的兴趣重复了奥斯特的实验。果然，只要导线通上电流，导线附近的磁针立即会发生偏转，他深深地被这种奇异现象所吸引。他认为电和磁之间必然存在联系并且能相互转化，既然电能产生磁场，那么磁场也应能产生电。 为了验证磁产生电这一设想，法拉第做了无数次实验，但都失败了，但他坚 信，从逆向思考问题的方法是正确的，并坚持继续实验。他设计了一种新 的实验（图2-2），把一块条形磁铁插入一只缠着导线的空心圆筒里，结果 导线两端连接的电流计上的指针发生了微弱的转动，电流产生了！ 1831年， 法拉第提出了著名的电磁感应定律，并根据这一定律发明了世界上第一台 发电装置。  方法★ 依据和作用 结构顺序反向思考(结构反转） 存在状态转换思考（状态反转） 事物功能反向思考（功能反转） 因果关系交换思考（因果反转） 对事物结构顺序的已有认识进行反向思考，可以发现事物未被我们认识的新功用。（位置：左右、上下、前后、正反、内外；形状：大小、对称与不对称、平面与立体、方形与圆形；管理与被管理、约束与被约束） 事物是变化发展的，人们对事物存在状态的认识是相对确定的，而不是固定不变或不可改变的。（如动与静、冷与热、甜与咸、吸引与排斥、模糊与精细等的认识可能发生相互转化） 某种事物此时无用，彼时却会有用。转换场合或对象来认识事物功用，其缺点可能变为优点。(有用——无用：变废为宝；留白；反季服饰 消极作用——积极作用（缺点、优点）：以毒攻毒 功能反向转化：用锅炒热菜——用锅炒冰淇淋 ) 一定条件下，事物之间的原因与结果可以相互转化。人们对事物因果关系的认识，可以由因到果,也可以由果溯因。 （成绩分析；奥斯特的电能生磁到法拉第的磁能生电） 含义：一切与原有的思路方向相反的思路。 (反向求索、反向法) （1）反转逆向思维法。这种方法是指从已知事物的相反方向进行思考，是产生技术 设计构思的新途径。事物的相反方向是指从事物的方向、顺序、分合、状态、多少、大 小、功能、结构、因果关系等方面作反向思维。例如， 在酒瓶软木塞从正向拔不出来的情 况下，逆向思维者想到，可以采用反向的方式，将软木塞捺入酒瓶中，同样实现将酒倒出 来的目的。 （2）转换逆向思维法。这是在研究问题时，由于原有解决该问题的手段或方法受 阻，而转换另一种手段或另一角度来思考，以使问题顺利解决的思维方法。如历史上被传 为佳话的司马光砸缸救落水儿童的故事，就是运用转换逆向思维法的一个例子。 （3）缺点逆向思维法。这是一种利用事物的缺点，化被动为主、化不利为有利的思 维方法。例如，金属腐蚀一般情况下是坏事，但人们利用金属腐蚀原理进行电镀，把坏事 变好事，就是缺点逆向思维法的一种应用。 运用逆向思维必须深刻认识事物的本质，所谓逆向不是简单的表面的 逆向，别人说东我偏说西，而是真正从逆向思考中做出独到的、科学的、令人耳目一新的 成果。 3 ．联想思维 一 天，工程师梅斯塔尔从野外回家，发现衣服上挂着一些牛蒡子籽实，这些籽实紧紧地附着在衣服上。他觉得很好奇，于是拿到显微镜下观察，结果发现每一个籽实都长着许多小钩，正是这些小钩使牛蒡子籽实挂在衣服上掉不下去。受此启发，他产生了联想：如果在布条上也安上相似的小钩，不就可以用作扣带了吗？他开始潜心研究这种扣带，最终把自己的设想变成产品：两条尼龙带， 一条 布满成千上万个小钩，而另一条则是更为细小的丝绒。当两条尼龙带合在 一起时，就迅速成为一条实用的扣带——这就是我们常见的尼龙搭扣（图 2-3）。 （1）接近联想。是指时间上或空间上相互接近的事物之间形成的联想。如“春江潮 水连海平，海上明月共潮升。滟滟随波千万里，何处春江无月明。”春江、潮水、大海与 明月被诗人联系在了一起。 （2）相似联想。是指由某一事物或现象想到与它相似的其他事物或现象。相似联想 有原理相似、现象相似、方法相似等。如技术设计中物体的连接方法，从钉子连接，可以 联想到焊接、粘接、榫接等。 （3）对比联想。是指具有相反特征的事物或相互对立的事物之间所形成的联想。如 看到优点就想到缺点，看到大就想到小，看到复杂就想到简单等。 （4）因果联想。由于两个事物存在因果关系而引起的联想。可以由因想到果，也可 以由果想到因。如在合成树脂中加入发泡剂，得到质轻和隔音性能良好的泡沫塑料。对 这种因果关系进行联想，在水泥中加入一种发泡剂，结果发明了质轻、隔热、隔音的气 泡混凝土。 （5）类比联想。是通过对一种事物与另一种（类）事物对比而产生的联想。常见的 有形式类比、功能类比等。如根据与蜻蜓翅的减振结构的形式类比，设计飞机的减振装 置； 根据与某种生物的功能类比， 设计具有近似功能的新装置， 如各种机械手、鳄鱼 夹等。 （1）接近联想。是指时间上或空间上相互接近的事物之间形成的联想。如“春江潮 水连海平，海上明月共潮升。滟滟随波千万里，何处春江无月明。”春江、潮水、大海与 明月被诗人联系在了一起。 （2）相似联想。是指由某一事物或现象想到与它相似的其他事物或现象。相似联想 有原理相似、现象相似、方法相似等。如技术设计中物体的连接方法，从钉子连接，可以 联想到焊接、粘接、榫接等。 （3）对比联想。是指具有相反特征的事物或相互对立的事物之间所形成的联想。如 看到优点就想到缺点，看到大就想到小，看到复杂就想到简单等。 （4）因果联想。由于两个事物存在因果关系而引起的联想。可以由因想到果，也可 以由果想到因。如在合成树脂中加入发泡剂，得到质轻和隔音性能良好的泡沫塑料。对 这种因果关系进行联想，在水泥中加入一种发泡剂，结果发明了质轻、隔热、隔音的气 泡混凝土。 （5）类比联想。是通过对一种事物与另一种（类）事物对比而产生的联想。常见的 有形式类比、功能类比等。如根据与蜻蜓翅的减振结构的形式类比，设计飞机的减振装 置； 根据与某种生物的功能类比， 设计具有近似功能的新装置， 如各种机械手、鳄鱼 夹等。 定势思维 定势思维可以帮助我们在面对新问题时，联想已有的经验和方法。但定势思维往往也 会成为思维的墙，阻碍我们思维的灵活性和创造性。 工程思维 第二节 三峡工程中的工程思维 三峡工程是具有防洪、发电、航运等巨大综合效益的多目标开发工程， 是治理和开发长江的关键性骨干工程。三峡工程的设计和建设体 现了工程思维的特点。 （1） 科学性。工程设计和施工必须严格遵循科学性。例如： 大坝选址 要调查地质结构，地质结构要有足够的稳固性，且历史上没发生过大地震 等； 大坝的结构和高度必须根据历史上最大洪水的流量来设计；大型轮船 必须能顺利通航；安装功率合适的发电机组；设计排沙方案，避免造成 库内河床淤积；通过设计保留鱼类通道。这些都需要经过系统考虑，以 及科学设计和施工。 （2） 定向性。工程思维是指工程对象是特定的，工程的时间、地点是指定的。例如，工程对象 是三峡工程；坝址位于长 江三峡西陵峡河段，控制 流域面积达100万km2 。 根据1993年5月获国家批 准的初步设计报告，三 峡工程按计划分三个阶 段进行施工，从1993年 的 准 备 工程算起，总工 期17年。 （3）求解的非唯一性。工程的设计和施工可以有多种方案备选。例 如，三峡工程设计和施工过程中都需要有多种方案和多个队伍， 经评估投标 确定采用哪个方案和哪个施工队。 （4）价值性。工程思维有明确的价值目标，其中包括社会价值目标、 经济价值目标、生态价值目标等。例如，三峡工程的生态价值目标是防止和 减少工程对生态环境的影响，如搬迁文物、迁移库区内居民、建鱼类通道、 开展库区绿化等。三峡工程的社会效益和经济效益主要有以下几点：①三 峡水库总库容393亿m3 ，防洪库容221.5亿m3 ，水库调洪可消减洪峰流量达 2.7万～3.3万m3/s，是世界上防洪效益最为显著的水利工程。②三峡水电站 总装机1 820万kW，年平均发电量846.8亿kW ·h，是世界上最大的电站。 ③三峡大坝的船闸是世界上级数最多、总水头最高的内河船闸。 （5）集成性和综合统筹性。工程活动是许多技术要素和非技术要素的 集成，工程是一个系统的概念。三峡工程在设计和施工过程中，除技术要素 外，还有许多非技术要素要综合考虑，如行政领导和管理，各单位和部门的 配合，突发灾害的防范，等等。 （6）矛盾性和协调性。在科学思维中，不允许在科学理论体系内部出 现逻辑矛盾。但在工程中，却常常不得不面对“相互矛盾的要求”。例如， 三峡大坝建得越高，其蓄水调控能力就越大，防洪效果就越好，但上游被淹 的土地就越多，生态破坏就越大，人口搬迁也越多。面对这些矛盾， 决策者 常常采取权衡协调的方式来解决。 （7）可靠性要求和“容许误差”的限度。三峡工程在设计和施工过程 中，必须考虑施工质量和各部分的可靠性。认真挑选施工单位、监理单位和 验收单位，定出各种构件的允许误差和施工误差的最大允许值等。 工程思维 第二节 （8）工程风险。必须考虑工程带来的风险。例如：①三峡工程对环境 和生态的影响非常广，尤其对库区的影响最直接和显著。②如果设计、建设不可靠，或突发地震等灾害，可能带来的危害。③在国防安全方面，三峡大坝 有可能成为受袭的目标。必须采取各种补救和防范措施来减少工程风险。由上 面的案例分析可知，工程思维中的许多特点，是其他思维方式没有的。 三峡工程是巨大的系统工程，工程的设计和建设要考虑多方面的因素，如防洪减灾、 蓄水抗旱、水道通航、水力发电、地质结构、泥沙石污物淤积、气候生态变化、鱼类通 道、移民搬迁、地震预防、安全防范、溃坝风险等，这些因素相互联系、相互影响，有些是 目标一致的，有些则是相互冲突、相互矛盾的。如何处理这些多样性、复杂性的问题？ 对一些相互影响、相互冲突的问题，在系统分析的基础上比较、权衡寻找出合适的 平衡点，进行科学决策。例如，三峡大坝的建设高度涉及多种相互影响、又相互冲突的因 素，即大坝建得越高，其蓄水调控能力就越大，防洪效果就越好，但上游被淹没的土地就 越多，生态破坏就越大，人口搬迁也越多，还牵涉大量难以迁移的历史古迹。设计者经过 分析、比较、权衡，最后把三峡大坝设计为最大坝高181 m，水库正常蓄水位高程 175 m。 这样的大坝高度和水库蓄水位高程，既保证了库容需求，保证了发电需求，又减少了对生 态的破坏。 三峡工程设计和建设体现了以系统分析、比较权衡为核心的筹划性思维——工程思 维。工程思维被广泛应用于处理设计问题、工程问题，也是通用技术的核心素养。 $$