第2章 机械创新设计的思维基础
2.1 思维的特性与类型
2.1.1 思维的特性
思维方法是创新设计的重要组成部分，与创新理论、创新技法结合互补，使机械创新设计的内容更加完善。所谓思维是指人脑对所接受和已储存的来自客观世界的信息进行有意识或无意识、直接或间接的加工，从而产生新信息的过程。这些新信息可能是客观实体的表象，也可能是客观事物的本质属性或内部联系，还可能是人脑产生出的新的客观实体，如工程技术领域的新成果、自然规律或科学理论的新发现等。思维主要特性有：
①间接性和概括性。感觉与知觉具有直接性，感知的事物比较容易为人们所接受，但世界上的事物众多，客观事物的本质属性与内部联系错综复杂，人们不可能一一去感知它们，这就需要借助思维的间接性和概括性来实现。思维的间接性指的是凭借其他信息的触发，借助于已有的知识和信息，去认识那些没有直接感知过的或根本不能感知的事物，以及预见和推知事物的发展过程。思维的概括性指的是它能够去除不同类型事物的具体差异，而抽取其共同的本质或特征加以反映。
②思维的多层性。思维具有层次性，它有高级和低级、简单和复杂之分。对同一事物，不同的人可能有截然不同的看法。有的人的认识还停留在事物的表象，而有的人则能深刻地理解事物的本质及内部规律。
③新颖性和独特性。它指思维结果的首创性，具备与前人、众人不同的独特见解，思维的结果是过去未曾有过的。也可以说，是主体对知识、经验和思维材料进行新颖的综合分析、抽象概括，以致达到人类思维的高级形态，其思维结果包含着新的因素。例如，20世纪50年代在研究晶体管材料时，人们都只考虑将锗提纯的方法，但未能成功；而日本科学家在对锗多次提纯失败后，他们采用求异探索法，不再提纯，而是一点一点加入少量杂质，结果发现当锗的纯度降低为原来一半时，会形成一种性能优越的电晶体，此项成果轰动世界，并获得诺贝尔奖。又如多灯的开关许多年来一直是机械式的，随着科学技术的发展，出现了触摸式、感应式、声控式开关。光控式开关能在一定暗度下使路灯自动点亮，而在天明时又自动关闭。红外线开关在进入室内时自动亮灯，并准确做到“人走灯灭”。
④多样灵活性和开放性。它指对于客观事物或问题，表现出敢于突破思维定势，善于从不同的角度思考问题，善于提出多种解决方案；能根据条件的发展变化，及时改变先前的思维过程，寻找解决问题的新途径。灵活性、开放性也含有跨越性的因果关系。例如，美国某公司的一位董事长有一次在郊外看一群孩子玩一外形丑陋的昆虫，爱不释手，就安排自己的公司研制一套“丑陋玩具”，深受孩子们的喜爱，非常畅销。科学家们跳出了死板的框框，通过对苍蝇与蛆的研究发现，这些人人痛恨的东西却包含着丰富的蛋白质，可以用来造福人类。跨越性是创新思维极为宝贵的一个特点，主要有两种思维形式：一是从思维的进程来说，它集中表现为省略思维步骤，加大思维前进的跨度，以此获取创造奇迹；二是从思维条件的角度讲，它表现为能够跨越事物“可观度”的限制，迅速完成“虚体”与“实体”之间的转化，加大思维的“转换跨度”。
⑤自觉性与创造性。思维的自觉性与创造性，是人类思维的最可贵的特性。从人对事物的感知实践可知，经适度激发，人的大脑神经网络和生理机能会对外部环境和事物产生自觉的反映，因此许多苦思冥想不得要领的难题，可能在睡梦中或在漫步时豁然开朗。这是因为人在积极思维时，信息在神经元之间按思考的方向进行有规律的流动，这时候不同神经细胞中的不同信息难以发生广泛的联系，而当主体思维放松时，信息在神经网络中进行无意识流动、扩散，这时候思维范围扩大，思路活跃，多种思维、信息相互联系、相互影响，这就为问题的解决准备了更好地条件。人类思维的自觉性使人类在思维和解决问题时常常会出现顿悟现象。顿悟是思维自觉运行的结果，经过反复探索，思维运动发展到一定关节点，或由外界偶然机遇所引发，或由大脑内部积淀的潜意识所触动，就产生一种质的飞跃，如同一道划破天空的闪电，问题突然得到解决。也有人把思维的自觉性称为灵感思维，其最大的特征是爆发性与瞬间性，只有善于捕捉这一短暂的灵感思维，才会发生量变到质变的创造成果。因此，思维的结果可产生出从未有过的新信息，所以思维具有创造性。良好的思维方式是发明创造的前提。
2.1.2 思维的类型
人最强大的力量来自于人所特有的思维能力。思维是发生在人脑中的信息交流，是人脑对客观现实的反映。它不仅揭示客观事物的本质或内部联系，还可使人脑机能产生新的信息和新的客观实体，如科学和自然规律的新发现、技术新成果等。思维是创造的源泉，正是由于人类的创新思维才产生了各种各样的发明创造。因此，掌握了有关思维的一般方法，发挥创造性思维的作用，有利于问题的解决。在产品设计与开发中，运用不同的思维方式，可以开发出不同的新产品。思维具有流畅性、灵活性、独创性、精细性、敏感性和知觉性的特征，根据思维在运作过程中的作用地位，思维主要有以下几种类型：
①形象思维与抽象思维。形象思维又称为具体思维或具体形象的思维，是人脑对客观事物或现象的外部特点和具体形象的反映活动。形象思维形式表现为表象、联想和想象。表象是指形体的形状、颜色等特征在大脑中的印记，是形象思维的具体结果。联想是将不同的表象联接起来的思维过程，是表象的思维延续，在一定的条件刺激下就会产生联想。想象是将一系列的有关表象融合起来，构成一副新表象的过程，是创造性思维的重要形式。形象思维是人们认识世界的基础思维，是每个人都具有的最一般思维方式，也是人们经常使用的思维方式。例如，设计一个零件或一台机器时，设计者在头脑中想象出零件或机器的形状、方位等外部特征，在头脑中对想象出的零件或机器进行分解、组装、设计等思维活动，就属于形象思维。在工程技术创新活动中，形象思维是基本的思维活动，工程师在构思新产品时，无论是新产品的外形设计，还是内部结构设计以及工作原理设计，形象思维都起着重要的作用。
抽象思维又称为逻辑思维。抽象思维涉及语言、推理、定理、公式、数字、符号等不能感观的抽象事物，是一个建立概念、不断推理、反复判断的思维过程。概念、判断、推理构成了抽象思维的主体。概念是客观事物本质属性的反映，是一类具有共同特性的事物或现象的总称。从抽象到具体，再从具体到抽象，这种反复转换的思维方式是人们进行各类活动的常用思维方式。判断是两个以上概念的联系，推论则是两个以上判断的联系。如在齿轮传动中，能保证瞬时传动比的一对互相啮合的齿廓曲线必须为共轭曲线（概念），因为渐开线满足共轭曲线的条件，所以渐开线为齿廓的齿轮必能保证其瞬时传动比为恒定值（判断），这就是一种推理的过程。形象思维具有灵活新奇的特点，而抽象思维较为严密。按照现代脑科学的观点，形象思维和抽象思维是人脑不同部位对客观实体的反映活动，左半脑主要是抽象思维中枢，右半脑主要是形象思维中枢，两个半脑之间有数亿条神经纤维，每秒钟可交换传输数亿个神经冲动，共同完成思维活动。因此，形象思维和抽象思维是人类认识过程中不可分割的两个方面，在创新过程中，应该把两者很好地结合起来，以发挥各自的优势，创造出更多的成果。
②发散思维与收敛思维。发散思维又称辐射思维、扩散思维、求异思维、开放思维等。它是根据提供的信息，多方位寻求问题解答的思维方式。其思维过程为：以要解决的问题为中心，运用横向、纵向、逆向、分合、颠倒、质疑、对称等思维方法，找出尽可能多的答案，并从中寻求最佳值，以便有效地解决问题。如把气象预测纳入企业经营的思考范围，观风察雨也能使企业获利。日本经营空调器的厂商都有研究和测算气象的专门机构。他们收集了大量的数据，得出了气温变化与产品销售额浮动之间的关系：在盛夏30℃以上温度的天气，每延续一天，空调的销售量就能增加4万台。可见发散性思维在进行创新活动中具有极其重要的作用。
收敛思维又称集中思维、求同思维等，是一种在大量设想或多方案基础上寻求某种最佳解答的思维方式。它以某种研究对象为中心，将众多的思路和信息汇集于这一中心，通过比较、筛选、组合、论证，得出现存条件下解决问题的最佳方案。其着眼点是从现有信息产生直接的、独有的、为已有信息和习俗所接受的最好结果。
在创造活动中，提出的方案越多，选择最优方案的可用空间就越大，但光有发散思维并不能使问题直接获得有效的解决。因为问题的解决最终选择方案只能是唯一的或是少数的，这就需要集聚，采用收敛思维能使问题的解决方案趋向于正确目标。因此，既需要有充分的信息为基础，设想多种方案，又需要对各种信息进行综合、归纳，多方案优化。发散思维与收敛思维的有机结合组成了创新活动的一个循环过程。
③直达思维与旁通思维。直达思维始终围绕需要解决的问题进行思考，旁通思维则将问题转化为另一个问题，间接分析求解。旁通思维后要返回到直达思维，才能较好地解决所提出的问题。如美国的莫尔斯受到马车到驿站要换马的启示，采用设立放大站的方法，解决了信号远距离传输衰减的问题，就是旁通思维的一个例子。
④动态思维。动态思维是一种运动的、不断调整的、不断优化的思维活动。其特点是根据不断变化的环境、条件来不断改变自己的思维秩序、思维方向，对事物进行调整、控制，从而达到优化的思维目标。动态思维是美国心理学家德波诺提出的，他认为人在思考时要将事物放在一个动态的环境或开放的系统中来加以把握，分析事物在发展过程中存在的各种变化或可能性，以便从中选择出使自己解决问题有用的信息、材料和方案。它的特点是要随机而变、灵活，与古板、教条的思维方式相对立。
⑤有序思维。有序思维是一种按一定规则和秩序进行的有目的的思维方式，它是许多创造方法的基础。如十二变通法、归纳法、逻辑演绎法、信息交合法、物-场分析法等都是有序思维的产物。有序思维经常运用到常规机械设计过程中。如齿轮设计过程，按载荷大小计算齿轮的模数后，再将其标准化，按传动比选择齿数，进行几何尺寸计算，强度校核等过程，这都是典型的有序思维过程。
⑥直觉思维。直觉思维是创造性思维的主要表现形式。直觉思维是一种非逻辑抽象思维，是人基于有限的信息，调动已有的知识积累，摆脱惯常的思维规律，对新事物、新现象、新问题进行的一种直接、迅速、敏锐的洞察和跳跃式的判断。它在确定研究方向、选择研究课题、识别线索、预见事物发展过程、提出假设、寻找解决问题的有效途径、决定行动方案等方面有着重要的作用。与直觉思维相关的思维方法有：想象思维法、笛卡儿连接法、模糊估量法等。在人类创造性活动中，直觉思维扮演了极为重要的角色。
⑦创造性思维。创造性思维是一种最高层次的思维活动，它是建立在前述各类思维基础上的人脑机能在外界信息激励下，自觉综合主观和客观信息产生的新客观实体，如工艺技术领域的新成果、自然规律与科学理论的新发现等思维活动和思维过程。它的特点是：综合性、跳跃性、新颖性、潜意识中的自觉性和顿悟性，这都是创造性思维比较明显的特点。
⑧逆向思维。逆向思维是从一种事物想到另一种相反事物，从一种条件想到另一种相反条件，从一种可能想到另一种相反的可能，从原因追溯结果的创新思维能力。逆向思维摆脱了单一思维的束缚，异想天开，引导人们从“山重水复疑无路”的困境走出来，寻找新的途径和高明的办法，得到意想不到的收获。
⑨理想思维。理想思维就是理想化思维，即思考问题时要简化，制订计划要突出，研究工作要精辟，结果要准确。这样就容易得到创造性的结果。
⑩质疑思维。质疑是人类思维的精髓，用怀疑和批判的眼光看待一切事物，即敢于否定。对每一种事物都提出疑问，是许多新事物新观念产生的开端，也是创新思维的最基本方式之一。创新思维是以发现问题为起点的，爱因斯坦说过，系统地提出一个问题，往往比解决问题重要得多，因为解决这个问题或许只需要数学计算或实验技巧。所有科学家、思想家可以说都是“提出问题和发现问题的天才”。一个人若没有一双发现问题的眼睛，就意味着思维的钝化。哥伦布发现了“地心说”的问题才有“日心说”的产生。爱因斯坦找出了牛顿力学的局限性才诱发了“相对论”的思考。因此，外国许多科研机构都非常重视培养研究人员提出问题、发现问题的能力，常常拿出三分之一以上的时间训练其提出问题的技巧。
灵感思维。灵感思维是一种特殊的思维现象，是一个人长时间思考某个问题得不到答案，中断了对它的思考以后，却又会在某个场合突然产生对这个问题的解答的顿悟。灵感包含多种因素、多种功能，多侧面的本质属性和多样化的表现形态。灵感也是人脑对信息加工的产物，是认识的一种质变和飞跃，但是由于对信息加工的形式、途径和手段的特殊性，以及思维成果表现形态的特殊性，使灵感成为了一种令人难识真面目的极其复杂而又神奇的特殊思维现象。它具有如下一些特性：
a.突发性。灵感的产生往往具有不期而至，突如其来的特点。
b.兴奋性。灵感的出现是意识活动的爆发式的质变、飞跃，是令人豁然开朗，是思想火花的瞬间出现，是神经活动突然进入的一种高度兴奋状态。因此，灵感出现以后必然出现情绪高涨，身心舒畅，甚至如醉如痴的状态。
c.不受控制性。灵感的出现时间和场合不可能预先准确地作出规定和安排。
d.瞬时性。灵感是潜思维将其思维成果突然在瞬间输送给显思维，灵感的来去是无影无踪的，它出现在人脑中只有很短的时间，也许只有半秒钟或者几秒钟。它经常只是使你稍有所悟，当你没有清晰地反应过来的时候它便已经离开你了。
e.粗糙性。灵感提供的思维成果，并不都是完整成熟的、精确清晰的。
f.不可重现性。即使遇到了相同的情景，也难以再现各个细节都完全相同的同一个灵感，而不是说灵感的同一内容不可能在不同的情景下再次或多次出现。
通常情况下灵感有如下的种类：
a.自发灵感。自发灵感是指对问题进行较长时间思考的执着探索过程中，需随时留心和警觉所思考问题的答案或者启示，有可能某一种时刻在头脑中突然闪现的成果。要做到善于抓住头脑中的自发灵感，不仅要对灵感出现有一种敏感的警觉，而且还要有意识地让潜思维尽量发挥作用。我们在对一个问题进行反复思考时，潜思维也在启动状态。如果我们对问题的解答不是急于求成，而是有紧有松，有张有弛，在休息的时候就停止思考，转做其他的事情或进行娱乐活动，这样就能为头脑中的潜思维加强活动创造有利条件，就能为它提供良好的环境。
b.诱发灵感。它是指思考者根据自身的生理、爱好和习惯等诸方面的特点，采用某种方式或选择某种场合，有意识地促使所思考的问题的某种答案或启示在头脑中出现。
c.触发灵感。触发灵感是指在对问题已经进行较长时间思考而未能得到解决的过程中，接触到某些相关或不相关的事物或感官刺激，从而引发了所思考问题的某种答案或启示在头脑中的突然出现。
d.逼发灵感。逼发灵感是指在紧张的情况下，通过冷静的思考，或者在情急中产生解决面临问题的某种答案或解决问题的某种启示，此时有可能在头脑中突然闪现。
2.1.3 创造性思维的形成与发展
（1）创造性思维的形成
首先是发现和提出问题，这样才能使思维有方向性和动力源。一个好的问题才能使人的思维更有意义和价值。爱因斯坦说过：“提出一个问题往往比解决一个问题更重要，因为解决一个问题也许仅是一个科学上的实验技能而已，而提出新问题、新的可能性以及从新的角度看旧的问题，却需要创新性的想象力，而且标志着科学的真正进步”。科学发现始于问题，而问题是由怀疑产生的，因此，生疑提问是创新思维的开端，是激发出创新思维的方法，其主要内容为：问原因，每看到一种现象，均可以问一问这些现象背后的原因；问结果，在思考问题时，要想一想：“这样做，会导致什么后果呢？”；问规律，对事物的因果关系、事物之间的联系要勇于提出疑问；问发展变化，设想某一情况发生后，事物的发展前景或趋势会怎样？在问题已存在的前提下，基于脑细胞具有信息接收、存储、加工、输出四大功能，创造性思维的形成大致可分为四个阶段：
①酝酿准备阶段。“酝酿准备”也称为储存准备阶段，是明确问题，围绕问题收集相关信息与资料，使问题与信息在头脑及神经网络中留下印记的过程。大脑的信息存储和积累是激发创造性思维的前提条件，存储信息量越大，激发出来的创造性思维活动也越多。
在此阶段，创新主体已明确了自己要解决的问题。在收集信息的过程中，力图使问题更概括化和系统化，形成自己的认识，弄清问题的本质，抓住问题疑难的关键所在，同时开始尝试和寻求解决问题的方案。任何一项创新和发明都需要一个准备过程，只是时间长短不一而已。收集的信息，包括教科书、研究论文、期刊、技术报告、专利和商业目录等，而查访一些相关问题的网站，或与不同领域的专家进行周密的讨论，有时也会有助于收集资料。
爱迪生为发明电灯，所收集的有关资料写了200多本，达4万页之多。爱因斯坦青年时期，就在冥思苦想这样一个悖论问题：如果我以e速（真空中的光速）追随一条光线，那我就应当看到这样一条光线，就好像一个在空间里振荡着而停滞不前的电磁场。他思考这个问题长达十年之久，当他考虑到“时间是可疑的”概念时，他忽然觉得萦绕脑际的问题得到解决了。这时他只经过5周的时间，就完成了闻名世界的“相对论”。相对论的研究专题报告虽在几周时间内完成，可是从开始想到这个问题，直至全部理论的完成，其中有数十载的准备工作，因此，创新思维是艰苦劳动、厚积薄发的奖赏，也正应了“长期积累，偶然得之”的名言。
②潜心加工阶段。潜心加工阶段也称为悬想加工阶段。人脑的特殊神经网络结构使其思维能进行高级的抽象思维和创造性思维活动。在围绕问题进行积极思索时，人脑对神经网络中的受体不断地进行能量积累，为生产新的信息积极运作。在此阶段，神秘而又神奇的大脑不断地对神经网络中的递质、突触、受体进行能量积累，为产生新的信息而运作。这个阶段，人脑能总体上根据感觉、知觉、表象提供的信息，超越动物脑只停留在反映事物的表面现象及其外部联系的局限，认识事物的本质，使大脑神经网络的综合、创新能力有超前力量和自觉性，使它能以自己特殊的神经网络结构和能量等级把大脑皮层的各种感觉区、感觉联系区、运动区都作为低层次的构成要素，使大脑神经网络成为受控的有目的的自觉活动。潜意识的参与是这一阶段思维的主要特点。
一般来说，创造不可能一蹴而就，但每一次挫折都是成功创造的思维积累。有时候由于某一关键性问题久思不解，从而暂时地被搁置在一边，但这并不是创造活动的终止，事实上人的大脑神经细胞在潜意识指导下仍在继续朝着最佳目标进行思维，也就是说创造性思维仍在进行。因而该阶段也常叫做探索解决问题的潜伏期、孕育阶段。潜心加工阶段还是使创造目标进一步具体化和完善的过程，创造准备阶段确定下来的某些分目标可能被修正或被改换，有时可能会发现更有意义的创造目标，从而使创造性思维向更新颖和有意义的目标行进。
③顿悟阶段。这一阶段称为真正创造阶段。经过充分酝酿和长时间思考后，思维进入豁然开朗的境地，使一些长期悬而未决的问题一念之下得以解决的现象。创新主体突然间被特定情景下的某一特定启发唤醒，创造性的新意识猛然被发现，以前的困扰顿时一一被化解，问题顺利解决。在这一阶段中，理论解决的要点、解决问题的方法会在无意中忽然涌现出来，而使研究的理论核心或问题的关键明朗化，其原因在于当一个人的意识在休息时，他的潜意识会继续努力地深入思考。这种现象心理学上称为灵感，没有苦苦的长期思考，灵感决不会到来。
顿悟其实并不神秘，它是人类高级思维的特性之一。从脑生理机制来看，顿悟是大脑神经网络中的递质与受体、神经元素的突触之间的一种由于某种信息激发出的由量变到质变的状态及神经网络中新增加的一条通路。进入此阶段，创造主体突然间被特定的情景下的某一特定启发唤醒，创造性的新意识蓦然闪现，多日的困扰一朝排解，问题得以顺利解决，这种喜悦难以名状，只有身在其中的创造者才有幸体验。这一阶段是创新思维的重要阶段，多被称为“直觉的跃进”“思想上的光芒”。这一阶段客观上是由于重要信息的启示、艰苦不懈的探索；主观上是由于在酝酿阶段内，研究者并不是将工作完全抛弃不理，只是未全身投入思考，从而使无意识思维处于积极活动状态，不像专注思索时思维按照特定方向运行，这时思维范围扩大，多神经元之间的联络范围扩散，多种信息相互联系并相互影响，从而为“新通道”的产生创造了条件。
④验证阶段。在已经产生许多构想后，必须通过评估缩小选择范围，以获得提供最大潜在利益的方案。把上述假设或方案，通过理论推导或者实际操作来检验它们的正确性、合理性和可行性，从而付诸实践；也可能把假设方案全部否定，或部分修改补充，创新思维不可能一举成功。
（2）创造性思维的培养与发展
创造性思维是逻辑思维和灵感思维的综合，这两种包括渐变和突变的复杂思维过程互相融合、补充和促进，使设计人员的创造性思维得到更加全面的开发。虽然每个人均具有创造性思维的生理机能，但一般人的这种思维能力经常处于休眠状态。学源于思，业精于勤，创造的欲望和冲动是创造的动因，创造性思维是创造中攻城略地的利器，两者都需要有意识地培养和训练，需要营造适当的外部环境刺激予以激发。
①潜创造思维的培养。潜创造思维的基础是知识，人的知识来源于教育和社会实践，知识就是潜在的创造力。由于受教育的程度和社会实践经验的不同，人的文化知识、实践经验知识存在很大差异，即人的知识深度、广度不同，但人人都有知识，只是知识结构不同。也就是说，人人都有潜创造力。普通知识是创新的必要条件，可开拓思维的视野，扩展联想的范围。专门知识是创新的充分条件。专门知识与想象力相结合，是通向成功的桥梁。潜创造思维的培养就是知识的逐渐积累过程。知识越多，潜创造思维活动越活跃，所以学习的过程就是潜创造思维的培养过程。
②创新涌动力的培养。存在于人类自身的潜创造力只有在一定的条件下才能释放出能量。这种条件可能来源于社会因素或自我因素。社会因素包括工作环境中的外部或内部压力；自我因素主要是强烈的事业心；二者的有机结合，构成了创新的涌动力。所以，塑造良好的工作环境和培养强烈的事业心是出现创新涌动力的最好保证。
创新的过程一般可归纳为：知识（潜在创造力）+创新涌动力+灵感思维=创新成果