材料创造发明学3

3.

逻辑方法－

三大材料发展的共性与个性创造思维－挑战方法与前瞻性思维03/02/20231材料创造发明学－3爱因斯坦：“我想念直觉和灵感”3.1求异思维求异思维的要诀是：不受任何框架、模式的约束，突破传统观念、理论和规范的禁区，从新的角度、以新的思路、用新的方法，创造出前所未有的知识/理论/技术。不求异就不能标新，它是从现实出发的一种有针对性的创新活动举例1：18世纪初期，人们已经发现了尿素，但认为只可能在人体内合成。因为无机物和有机物之间不能互相转化。德国化学家维勒用氰氢酸和氨水进行化学反应，获得了尿素。这一轰动性发现遭到不少人嘲笑，连他的老师也挖苦他。维勒的《论尿素的人工合成》动摇了当时生命理论的基础，填平了无机物和有机物之间的鸿沟，推动了有机化学的突飞猛进发展。03/02/20232材料创造发明学－33.2同中求异与异中求同这是应该自觉遵循的创新活动的两条基本原理同中求异：指在两个或两个以上的相似事物中，寻找他们的相异之处。举例2：近代通讯技术—长城烽火台（狼烟）==光信号传播技术->有线电话->无线电通讯（长波、短波、超短波）->激光通讯-光导纤维与互联网->量子通讯方式、水平迥异，互相之间采用完全不同的技术03/02/20233材料创造发明学－3举例3：高分子材料—人类历史数千年中，只会使用天然高分子材料：棉、麻、竹、木、骨、毛皮、天然橡胶等。19世纪中叶，发现了硫化橡胶、硝化纤维等高分子材料，现已发展成为合成塑料、合成橡胶、合成纤维三大类，成为现代生活的基本保证。应用有机/高分子化学和物理学的基本原理，通过对高分子结构和功能的不断认识，同中求异，异中求同的创造过程。D-二羟丁二酸（HOOCCH(OH)CH(OH)COOH）和L-二羟丁二酸，同是C4O6H6，由于结构不同导致性能完全不同，前者易被真菌同化，后者则不会。03/02/20234材料创造发明学－303/02/20235材料创造发明学－3异中求同：在两个或两个以上不同事物之间，找到他们的相同/相似之处，从而获得创新的灵感。举例4：细胞与细胞学—动物与植物存在巨大差异，但是他们具有共同的组织结构单元—细胞。1838年德国生物学家施莱德和施旺发现了这一现象，从而奠定了细胞学基础。举例5：能量转化和守恒—赫尔姆霍茨发现机、热、光、电、磁、化学力等运动形式都可以产生动能与位能的相互转化，论证了各种运动形式之间能量是可以互相转化的，但是总能量是守恒的。后来又论证了生物机体也遵循能量守恒定律。03/02/20236材料创造发明学－3求同思维与求异思维相结合事物的复杂性和相互之间差异的隐蔽性，以及认识手段的限制，给人们探寻差异的工作造成困难。将求同思维与求异思维相结合，可为我们提供把握事物之间相似现象，正确而深刻认识事物，以获取新知识，孕育创造思维。求同与求异是对立统一规律在认识客观世界过程中的具体表现。求同寻找事物之间的本质联系，找到了一个事物和其他事物之间转换或替代的途径；找到相似事物之间的“异”，就是找到不同事物的区别，找到了不同事物的适应条件。求同与求异的结合可开拓新思路，为创造性解决问题提供新途径。举例6：仿生学—诞生于20世纪60年代，涉及生物学、生理学、神经学、电子学、数学、控制论、信息论、材料学等诸多新旧学科研究自然界生物的结构、性能、能量转换和信息传递的过程运用于人类工程技术中。03/02/20237材料创造发明学－3举例7：C—金刚石与石墨都是单质碳的结晶体，但结构迥异，性能完全不同。异中求同：同是由碳元素组成的。在高温高压下处理，石墨转变为金刚石—发明了人造金刚石03/02/20238材料创造发明学－33.3质疑思维质疑思维就是对现有事务持怀疑态度，促使更深入地思考、分析、研究改进和创新英国皇家学会会徽上：“不要迷信权威，人云亦云”举例8：亚里士多德权威论断—物体的下落速度与其质量成正比，越重的物体下落越快。伽利略怀疑这个结论—通过实验证明了物理学上著名的自由落体运动定律：物体下落速度与物体质量无关，而与物体的高度有关举例9：柯尼卡傻瓜相机—传统照相机的闪光灯是和相机分离的。拍照不方便。日本小西九公司的一个小职员提议：将闪光灯安装在相机之内。结果被所有人嘲笑，认为会增大相机体积和重量，没有市场。他通过自己反复试验，终于研制成功，在市场上大受欢迎03/02/20239材料创造发明学－33.4逆向思维逆向思维（反向思维）--从常规思维相反的角度、过程出发来思考问题的一种创新思维方法。出奇制胜逆向思维的类型原理反转—有意识颠倒已有的事物间因果关系或已有的原理规律，去发现新的现象和规律，从而寻找解决问题的途径的思维方法。举例10：丹麦：奥斯特—发现电场周围存在感生电磁场。英国：法拉第—”磁场能否产生电流？“经过反复试验于1831年发现了电磁感应定律，并发现了发电机的原理和构型，为整个世界带来动力和光明。功能反转—从现有事物的相反功能，去设法寻求解决问题的新途径。举例11：电解水得到氢和氧。逆向思维：氢和氧合成水的同时发电—发明了氢燃料电池03/02/202310材料创造发明学－3结构反转和颠倒思维3.5发散思维或称扩散思维，针对具体问题，由一点展开，向四面八方想开去，沿着各种不同的方向进行思考，通过知识、概念、技术的重新组合，寻求各种解决办法中的最佳方案。开放式思维举例11：爱迪生发明白炽灯—发现当时所有的灯丝材料不耐用经过一年多努力试验了1600多种材料最后采用棉线碳化，并将灯泡抽真空，才发明了具有工业应用价值的真正的电灯3.6收敛思维或集中思维，以某个思考对象为中心，从不同方向和角度，将思维的方向指向这个中心点。常用的思维方式之一抽象概括是基本内容举例12：制备金属钛纳米粉—先经过分散思维，寻找各种可能的方法；继续发散找到几种具体方法，分析这种方法制备纳米分的特点，经过由表及里去伪存真的分析和验证，最后集中到等离子体蒸发-冷凝法制备金属钛粉。03/02/202311材料创造发明学－303/02/202312材料创造发明学－33.7形象思维科学研究过程中的想象形象思维的具体过程。图形、图表、物体、空间构造等等。思维的形象性有助于人们开辟新思路、进行新构思、产生新设想等。草图形象思维也是文学艺术创造中主要的思维方式举例13：卢瑟福的原子模型，就是根据太阳系行星围绕太阳旋转的形象提出的。举例14：苯的结构的发现：梦中的形象思维成就（顿悟）举例15：法拉第“力线”的概念-磁力线（来自磁场周围铁屑的线型排列）、电力线等等电磁场的概念03/02/202313材料创造发明学－33.8直觉思维直觉思维-未经演绎推理的直观性思维在现有资料基础上调动已有知识和经验摆脱习惯对新事物、新现象、新问题进行直接、迅速的判断整体性、功能性、猜测性、跳跃式伟大成果的直觉特点举例16：“外行”能快出成就举例17：太空笔03/02/202314材料创造发明学－3举例18：镭—19世纪末，法国物理学家贝勒尔发现了放射现象。化学家居里夫人立即决定研究放射性的起源问题初步试验表明，放射性似乎同化合物的状态、温度以及光线无关她于是大胆预测：放射性不是化合物的特性，而是其中某个原子特性的反映；这种放射性不一定只有铀才有。钍，但是更强的放射性发现了经过四年的艰苦努力镭终于被发现确认了03/02/202315材料创造发明学－33.9灵感思维灵感思维简称灵感，或称为顿悟思维，属于超越逻辑推理的非常规思维“百思不得其解”、“山重水复疑无路”的境界外界的适时刺激茅塞顿开，豁然开朗，取得爆发式思维飞跃钱学森：“灵感思维就是信息、机遇、联想、直觉依次矛盾运动，最终达到高度统一，即联想的结果被直觉因素肯定时突然呈现的一种理智和情感异常活跃状态”举例19：德国化学家凯库勒发现苯分子环形结构—在半睡眠状态的梦境中—围成环形的蛇咬住自己的尾巴举例20：氨基酸分离方法—英国化学家马丁博士喝咖啡的发现03/02/202316材料创造发明学－33.10想象思维亚里斯多德：“想象力是发明、发现等一系列创造性活动的源泉”普朗克：“每一个假说都是想象力发挥作用的产物”想象思维是原创性科学理论形成的源泉。举例21：爱因斯坦相对论：想象以光速飞行、想象乘自由落体的电梯、。。。举例22：奥森和可立克发现DNA的双螺旋结构科学幻想是科学发现和技术发明的先导：科学技术的发展，往往是从科学幻想开始的；科学幻想给人启迪，促使“茅塞顿开”，推动发现和创造新事物03/02/202317材料创造发明学－33.11超前思维超前思维又称为前瞻性思维，通过预测未来可能出现的发展方向，及前瞻性问题进行超前研究，往往取得突破性创新独具慧眼，敢为人先放射性同位素应用于人体探测举例22：王选和激光照排系统1975年高瞻远瞩，着眼未来不宜以一时一事论英雄，及时预测未来可能发生的意外，寻找超常规应变策略举例23：日本人发明传真机美国人没有跟踪，而是发明了电子邮件系统前瞻性预断超前BillGates&Microsoft极端条件下的材料/结构行为研究03/02/202318材料创造发明学－33.12挑战思维向科学和技术难题挑战，勇攀科学技术高峰《探索未知世界—世界科技疑团》的8个问题：存在4维空间？超导的微观机理？为何会产生磁浮现象？“反引力”？混沌现象有多少种元素？有超重元素吗？有序与无序之谜生物芯片可否取代硅芯片？03/02/202319材料创造发明学－33.13混沌与非线性思维混沌理论被认为是和相对论、量子力学齐名的震撼世界的三大理论。混沌现象无处不在：高速公路上的汽车拥挤状态、输油管道中的油流动、血管中的血液流动、气候变化、股票市场、舆论传播、金属的熔化和凝固等。--〉世界的本质是非线性的非线性系统的自组织、宏观混沌、微观有序非线性的普遍性与本质性、线性系统的非本质性和次要性自然界是线性和非线性的辩证统一大量涌现的非线性科学03/02/202320材料创造发明学－33.14综合思维并非每一个创新都要求完全标新立异，创新在许多情况下是旧元素的新组合若干领域的多种技术成果综合在一起，产生新技术对1900年以来的重大技术成果统计分析发现，由综合导致发明成为当代发明创造的主要途径举例24：美国：航天飞机—代表了人类空间技术的最高点—但是没有应用一项新材料或新技术！综合创新—技术、概