工程学的选题方法及案例分析

云南省青少年科技中心 张发现电话： 0871-5192792

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内容：

一、工程学（发明）的范畴二、获奖项目的启示三、科技创新的智慧四、创新竞赛的策略五、发明技巧介绍六、案例分析

一、工程学（发明）的范畴

科学是关于客观世界各个领域事物现象的本质、特征及运动规律的知识体系。它是建立在人类社会实践活动的基础上并已经过实践检验和严密逻辑论证的知识。

广义的讲，科学包括自然科学、数学、社会科学、思维科学以至技术。

1 、科学的含义：

2 、科学的方法论：提出科学问题 ------ 工作的起点科学观察与科学实验 ------ 获取科学事实和验证假说的手段。 科学观察：借助人的感官或仪器来感知科学事实 通过实验找到答案：科学工作的重要组成部分掌握科学思维 ------ 成功的保证 逻辑思维：科学思维的基础 创造性思维学会用艺术的眼光审视科学 ------ 对美感的追求

3 、工程学 (engineering) 的定义：

工程学是研究自然科学应用在各行业中的应用方式、方法的一门学科，同时也研究工程进行的一般规律，并进行改良研究。

狭义角度的工程学（ EN ）指技术，直接将科学原理应用于生产及实际应用的项目。

工程学

土木工程

机械工程

航空工程

化学工程

电气工程

摄影工程

音响工程

汽车工程

船舶工程

制热与制冷工程

交通运输工程

环境工程

……

二、获奖项目的启示

他们为什么能够得大奖？

创新点 ? 选题：紧贴生活 方案设计： 功能：防鱼滑脱 原理：增大摩擦力 方法：巧用尼龙搭扣，

摩擦力的合理分布

例 1 、抓鱼手套

例 2、立体形路标

创新点 ?选题：紧贴生活方案设计： 功能：防止车祸 原理：错视原理 方法：绘制假立体 图形

40

启示：

1 、发明创造并不神秘2 、获奖作品具有“创造三性” 新颖性（前所未有） 创造性（非显而易见性，先进性） 价值性（应用价值、理论价值 ）3 、获奖者应当具有三大创新智慧 创造性思维 创造性观察 科学实验

三、科技创新的智慧

1 、创造性思维

再现性思维

创造性思维

封闭、单一、求同

开放、多元、求异

创造性思维举例

皮球

例 1 、图示的空心立方体为美国最新设计的儿童玩具，请猜猜这是什么儿童玩具？

例 2 、奥迪车广 告创意设计（平面设计）

温暖 安全 舒适

4 个圆环表示当初是由霍赫、奥迪、 DKW 和旺德诺 4家公司合并而成的。

每一环都是其中一个公司的象征。

半径相等的四个紧扣圆环，象征 公司成员平等、互利、协作的亲密关系和奋发向上的敬业精神

例 3 、请说说塑料不同凡响的特性 ?

诺贝尔化学奖

发现塑料导电性

日本筑波大学白川英树教授

1977

伟大的科学发现

2000

聚乙炔塑料 碘杂质

导电塑料

导电现象

科学发现

技术发明

我们为什么没有想到 ?

请各位先思考一下：

回型针有多少用途？各组把各自想到的用途汇集记录下来，供大家分享。

x轴

与回形针相关的各种实践活动

总体信息分解

力 砝码

美术 金属画

音乐 拨片

电 导线

磁 指南针

文学 字母

数学 数字

形状 材质 重量 体积 长度 截面 韧性 弹性

Y轴

2 、创造性观察 （ 1 ）改变视角 苹果里的星星

五角星

用陌生的眼光去看熟悉的事物

（ 2 ）体察入微 观察鸡蛋的形状 观察牙刷的形状与设计特点

（ 3 ）观察奇异 西红柿生长的怪现象 V型栽培法

3 、科学实验

发明创造是实验的女儿。

四、科技创新的策略1 、选准课题 （ 1 ）选题四忌

二忌过时课题，选题要有时代性 观察新的生活生产方式

三忌“无理”课题，选题要有科学性

四忌争论课题，选题要有趋向性

一忌重复课题，选题要有新颖性

～U0

— Ut+

－

美国密西根大学教育学院关于学生“选题标准”的意见：

可行的：学生能自己设计并完成 有价值：学生通过这一课题研究，可以掌握必需的科

学概念和科学研究步骤 有背景：是学生生活和其周围世界中的真实问题 有意义：有趣，能激发学生学习科学的积极性 合伦理：不会伤害学生生命和破坏环境 可持续：能使学生产生持续较长时间的探究兴趣

（ 2 ）选题标准

（ 3 ）选题方法观察法多观察社会生活，从生活中发现课题。 观 ----看 察 ----想

消费生产

生活学习

用陌生的眼光去看熟悉的事物观察新的生活生产方式充分利用市场提供的信息

联想法

《食品卫生法》与电子消毒柜 洪灾与管涌快速检测排除装置

列举法 缺点列举：

希望点列举 现实需要？ 延伸需要？ 潜在需要？

针对老大难问题找到有效解决办法发现隐性缺点并提出有效解决办法

防盗窗

移植法

发泡原理的移植 真空原理的 移植 电镀方法的移植 积木结构的移植

例：手搓式洗衣机 试压泵与快速腌盐蛋机 调温型电熨斗

组合法

主体添加 同物自组 异物杂交 分解重组

2 、注意创新点 原理创新？ 方法创新？ 结构创新？

激光电话 光电鼠标 气流帘门 无叶片电风扇 超声波洗衣机 发动机验 油法 硬币分离装置

（ 1 ）原理创新

例 .简谐仪设计

方案 1.漏沙法

方案 2.电击法

方案 2.漏液法

传统方法变现代方法物理方法变化学方法机械方法 变电学方法

（ 2 ）方法创新

（ 3 ）结构创新

传统结构 新颖结构复杂结构 简单结构分散结构 组合结构固定结构 可变结构

3 、选题内容的确定（练习）

针对我们所在教室里的设备设施进行方案内容的假设，并对此方案进行梳理，确定研究方向和解决办法。（ 1）地板（ 2）顶灯（ 3）仪器设备（ 4）窗子及窗帘（ 5）门锁

发现问题确定创新目标、并不断修正调研、查资料、文献归纳、分析制定研究方案局部实验验证设计、制作、不断修正

4 、工程创新研究的一般过程

5 、开题报告

课题的研究背景（课题的提出或立题依据， 提出问题，并阐述本研究的意义）国内外研究概况 (文献综述）研究内容技术路线可行性分析实施计划参考文献

6 、注意作品定位

您究竟发明了什么？ 例：不用裁判的军棋？ 防近视台灯？ 新型洒水车？ 学校道路清洁机？

7 、注意作品命名

同名成果问题

基本名称特征定语 + 新成果

创新点 功能

例：按人类工程学设计的台灯 利用错视原理设计的公路限速标志

五、发明技巧介绍1、形态分析法 一种以系统搜索观念为指导，在对问题进行系统分析和综合基础上用网络方式集合各因素设想的方法。

单缸洗衣机形态分析表

功能技术手段

1 2 3 4A 盛装衣服 铝桶 塑料桶 玻璃钢桶

B 洗涤去污 机械摩擦 电磁振荡 超声波 热胀分离

C 控制时 间 人工手控 机械 控制 电脑自控

2 、U型思维法 鸡和狗的试验

3 、洞察奇异法

我没有特殊的天赋，只有强烈的好奇心。 ------ 爱因斯坦谁丧失了好奇心，谁就丧失了最起码的创造力。 ------ 爱迪生

酸碱试纸的发明（波义耳 ）

西红柿 V型栽培法（赵跃荣 ）

4、假设思考创新法 魏格纳：“大陆漂移”假说

5、逼发创意法

傻瓜照相机 安全别针

6、 调新口味法

各种口味的泡泡糖、冰淇淋等

7、智力激励法

“三个臭皮匠，顶个诸葛亮”

头脑风暴法：

自由思考 延迟评判 以量求质 结合改善

例、电线积雪清除方法

8、寻找斜边法

当年，爱迪生让他实验室的一位大学生提供电灯泡体积的数据，这位新助手用高等数学的方法足足计算了几小时。爱迪生对此深感遗憾，因为在他看来，这种问题只需一两分钟就能解答，而且只需要小学生的知识就足够了。请你想想，爱迪生找到的“思维斜边”又在哪里呢？

找出原因

对症下

药

探求捷径法

圆珠笔漏油问题的求解？

9、同物自组法

双排订书机、 多缸发动机、 双头液化气灶、双层文具盒、双顶鸳鸯睛雨伞

“长寿”灯泡

电风扇

10、立体思维法

在一块土地上种植四棵树 ,使得每两棵树之间的距离都相等 ？

电子线路板

立体文具盒、立体工具箱、立体报刊架

飞机、 导弹和卫星等的电于设备

11、综合专利法

利用专利信息进行再创造的一种技法。运用这种技法的要点是熟悉专利文献和善于进行综合。两条基本途径：一是设计思路综合，二是技术综合。

卡尔森 光导电性和静电学原理结合静电复印技术的基础专利

蒸汽机 驱动的织布机 丰田佐吉

12、能源变换法

“拍卖太阳”

“电老虎”

“油老虎”

“煤老虎”

电子灯泡

13、强制联想创新法

已有的 平庸的

改进的 新颖的

奇特的

去掉

保留

变换和修正

强制联系

强制结合

日本东芝电器公司 旋转万能 X射线电视透视台

X射线透视机、电视摄 像机、 可调节手术台

14、分段推进法

昨夜西风凋碧树。独上高楼，望尽天涯路。

衣带渐宽终不悔，为伊消得人憔悴。

众里寻他千百度，摹然回首，那人却在灯火阑珊处。

古今成大事业、大学问者，必须经过三种境界。------ 王国维 传世佳作（人间词话）

悬想

苦索

顿悟

周林频谱仪 荣获首届世界青年发明家科技成果展览会金牌奖（ 1985 年 10

月）

15、时差利用法

天津“狗不理”包子

牙膏：“早安型”和“晚安型”

西装

16、定量实验法

伽利略 1607 年 光速的测定

斐索 1849 年 313000公里／秒 1932 年用旋转棱镜测得光速为 299774±2公里／秒

国际计量委员会 299792458米 ±1.2米／秒

物质 A+ 物质 B→ 物质 C

化学 反应

电冰箱电子灭菌除臭器 假如有人想发明创造一种用于蔬莱、水果等食品贮存的电子保鲜器，除了设计出电路原理图外，还应当通过定量实验解决哪些技术问题呢？

17、琢磨偷懒法

“业精于勤而荒于嬉”

带刺铁丝网

“少出力也能办成事”，“能够偷懒就偷懒”

种棉花

18、典型观察法

现代遗传学的奠基人孟德尔

杂交水稻之父袁隆平

如果我们想开发研究一种环境空气 监控装置，该如何选择典型观测呢？

豌豆 菜豆 玉米 草枣等

豌豆具有明显的、易观察的、稳定的相对特征，如种子的形状（圆、皱），子叶的颜色（黄、绿），茎的高度（高矮）等。其次，豌豆花的雄蕊和雌蕊由花瓣包裹起来，在自然条件下进行自花授粉，易得到纯种，一般不会受到外来花粉的影响 ；再次，豌豆具有容易栽培、生长期短的特点，可缩短观察周期。

19、预测需求创新法

“小荷才露尖尖角，早有精蜒立上头”

“用即扔”雨伞

长虹彩电

20、技术辐射法

红外技术

远红外辐射取暖器

红外线电吹风

红外电子狗

超声波技术

微电子技术

电子计算机技术

21、材质替换法

塑钢门窗 木门 窗 铝合金门窗、钢窗

纸张阻燃纸：旅游锅

牛皮纸：活动住房构件

形状记忆合金（ 40℃以上做成天线），冷却，把天线折叠成球团

天线

22、精细观察法

工程师韩永奠 无铅皮蛋

铜皮蛋 锡皮蛋

铅皮蛋

英国有位医学教授：蘸液体试验

23、动态观察法

“黔之驴”

超导现象：铋、铅、锡等金属

林力凡 “压力烹煮法”和“超高压食品” 高塔处理的鸡蛋

陈米 超高压处理 新米

24、突破禁区法

爱迪生：发明电灯，直流电

乔治 ·威斯汀豪：研究交流输电，用交 流电照亮了世界

交流电照明

飞机送上天 勒让德（法国天文学家 ）：制造一 种比空气重的 装置去进行飞行是不可能的 西门子（德国大发明 ） 赫尔姆霍茨（德国物理学家）：从物理学的角度论证，机械 装置要飞上天纯属空想。

美国人莱特兄弟 “捕捉阳光”

光导纤维既能传递信息，也能传递能量 纯净的水传递强光

陈和平（山东）：太阳灶和太阳能储存器

25、功用发掘法

鲁迅先生在（准风月谈）中，讲过一个故事：柳下惠看见糖水，说可以用来滋补身体，而盗拓见了，却道能用来粘门闩。他俩是兄弟，所见的又是同一种东西，想到的用法却这么天差地远。 ------- “糖水功用有别”

小苏打 功用：烘烤制作 饼干、糕点、面包卷和曲奇等（碳水化合物 食品）中的发酵剂

开发：

电冰箱、地毯、盥洗室、下水道、水族缸、猫舍、组合橱柜、踏脚垫除臭的专用产品

比如，家中的调温式电熨斗，除了用来熨烫衣服外，还能作什么用？这里面有没有新产品开发的灵感？

可以除臭

具有柔和的腐蚀作用，可以作清洗剂

它对人的皮肤和肠胃系统均无害

烤箱清洗剂、餐具清洗剂

保健香皂

26、切割组合法

龙

非驴非马

王忠容（服装厂的设计师） :女式两用裙裤

“天机云 锦用在我，剪裁妙处非刀尺。” 沙滩帆车

鹿角、马脸、牛眼、虎嘴、虾须、蛇身、鱼鳞、鹰爪等

27、变换视角法 横看成岭侧成峰，远近高低各不同。不识庐山真面目，只缘身在此山中。

埃及金字塔巨石成因 天然石块？

加工制成 ？人工浇注

“验油测磨损”

拆开：汽车发动机运动部 件的磨损情况

人体验血看病 观察机油中金属微粒的变化情况，间接发现磨损的程度。

28、事故启迪法

长井的故事：

“瞌睡虫”

电子提神器

可折叠的锯子

29、线型组合创新法

安全剃须刀架和刀片 ----- 美国金 ·吉列

可调节刀架

超级刀片

双层刀片转为双刃

把握柄改为弧曲形

似变非变，以新带旧，推陈出新

30、藤型组合创新法顺藤、依蔓而摸瓜

松下公司

彩色电视机大屏幕彩电

增加收录机， 开发出卡拉 OK 机

视听同步自娱乐的家用电器新时代

索尼公司

电子音响设 备大屏幕彩色电视机和高保真立体声音响设 备组合

视听同步家用电器

开发的重点移向家用电器的轻、小、短、薄，向商场推出了微型多功能的彩色电视机， 让人边走、边听、边看。

31、缺点逆用法

弗赖伊（美 . 化学 家）：不干胶纸

张开逊（发明家）： PN结温度传感器

列举缺点搞发明

找缺点 想办法去克服缺点

反其道而行之 缺点能否在别的场合变成优点？

32、对比实验法

比萨斜塔实验

鸡毛、石头的玻璃筒下落实验（空气、 真空）

“情绪疗法”

33、特性扩缩创新法

火车（发明 者史蒂文森 ）： 无齿轮 有齿轮

手表表带改进

地面易滑

34、扇型组合创新法

轮胎翻新改造（美 .卡弗）

高温和高压的热压翻新

冷压翻新工艺

把不同的材料设计、技术设计、工艺设计、造型设计、装饰设计、运用到同类设计相同方向的系列组合之中，根据实际情况和具体需要强化和突出同类设计的某些方面和环节，构成一种别具特色、风范、勉力的创造性设计。

柔性的橡胶气囊代替原来的金属固化圈

轮胎软化装置

35、角型组合创新法

食品、医药、塑料、化纤、合成橡胶、建筑材料、高级住宅、医疗器械

碱 氯气 谷氨酸钠味精 改用发酵法生产味精

食品生产部门

火药

硫氨人造丝合成氨

医药部门

36、缩减元素创新法

“小巧玲珑”

轻、薄、短、小

37、析因实验法

金鱼、鲤鱼、鲫鱼 “童鱼”

长寿之谜

（童第周）

38、互为补偿创新法

无影灯

跛子与盲人

全息相 电子显微镜成像与“失真黑箱”

39、等价变换法

滚筒式打稻机

煤炭地下气化：建 井、采煤、气化三大工艺合 而为一

40、因果互易创新法

刨花板、锯末板

金属：“热电 静压”

回归变易 功能交易 结构变易

41、荒唐启示法

荒唐想法转化为某种“幽默发明”

“电子感应退币机”

“鞋可以吃”

42、树型组合创新法

线型组合、藤型组合创新法的再组合

43、添声设计法

电子有声画

报时手表

鸟鸣壶

如果让声音控制汽车、 控制电 脑，又会有什么新的发明创造呢？

44、分解重组法

“蒙太奇”技术

（ 1 ）一个人在笑；（ 2 ）枪口对准了他；（ 3 ）他一脸恐惧。

器材重构

45、承旧更新法

礼品鞭炮观赏烟花

继艺改形 继方改艺 继名改质

化学法 仿景泰蓝

豆腐 ------葡萄糖酸内脂作凝固剂代替原来的石膏

电蜡烛、电吉他电子秤、电子钟

46、救命的枪声 ---逆向创造法

“排干扰朗读器”

食物热藏法 冷藏法

状态反转法

功能逆向法

对立归纳法

换位法

固定的电锯机和电 刨机 电梯

电←→磁

47、缺点改进法

分析一下家中的保温瓶吧，看看列举出哪些缺点。

针对空调器、复印机、计 算机等产品进行吹毛求疵。

48、性别差异法

男士化妆品

“男士啤酒”与“女士啤酒”

49、反向思维助发明

爱迪生：将“声音引起振动”颠倒为“振动还原为声音”，发明留声机。

赫柏布斯：吹尘器的原理反过来，设计出新的除尘装置，发明了吸尘器。

将欲废之，必固兴之；将欲夺之．必因与之。

英国物理学家瑞利：测量氮气密度，发现 氩原子

兰米尔：充气电 灯泡

50、删繁就简法

自行车

“冗繁削尽因清瘦”

单旋钮微波灶

51、主体附加法

磁疗皮鞋

合金材料

卡车上 附加简易起吊装置

奶瓶上附加温度计

铅笔上附加橡皮头

电视遥控器

52、集优混合法

维维豆粉

鸡尾酒 鸡尾酒由基本酒 (50％以上的烈性酒 ) 、调和料 (香料或含香料的酒、糖、奶油，果汁等 ) 和附加料 (冰块、桔子汁、石榴汁等 ) 组成。

新鲜牛奶的动物蛋白与优质大豆的植物蛋白集优混合

侧重：相容性和配比性实验研究

假如你想开发一种新的混合饮料，想想看该怎样实施你的创新计划？

53、变粗为精法“毛油”

果蔬精工升华

如果让你对红薯这种粗品动动脑筋，你又会想到哪些以红薯为原料的精品呢？

六脱：脱溶（脱有害人体的溶剂及脂类）脱胶（脱产生油烟催化致癌的胶粘物质）脱酸（脱促进胆固醇形成的游离饱和脂及酸）脱色脱溴（脱异味挥发物）脱过氧化物

54、以毒攻毒法

红蚂蚁围歼蔗螟

假如某飞机场鸟害为患，为了确保飞行安全，能否“以鸟治鸟”呢？

防治噪音方法禁止使用发声器装隔音罩、消音器 等。

x1

f(x

1)

0 x2

f(x2)

0

……

55、因势利导法

儿童沉溺于游戏怎么办？

吸烟有害健康 ，能否因势利导，发明创造出既能满足烟民需求又不损害其健康的新烟种或吸烟新法？

大禹治水

56、放大创新法

大屏幕彩色电视机

大容量电冰箱

大型显示屏幕

57、物化原理法

微波加热原理

物化原理，是发明创造技法家族中的“大哥大”，因为任何技术发明都可以说是科学原理的物化形式。

精细打孔、真空焊接、精密切割、育种 、新型手术刀 、唱机、影 碟机 、通 讯、武器

激光的应用

顺新出新 顺新革旧 顺旧图新

计算机技术

革新灯具，使传统结构的电灯能

自动变换颜色

磁极同性相斥、异性相吸原理

磁浮轴承、磁悬浮列车

58、情趣添加法

果汁型儿童牙膏

六、案例分析

黄瓜条快速切割器

可引导自然风对流的不对称型地下通道

聪明的节能电梯

汽车 酒精测试启动系统

滚筒振动式硬币分检器实用新型，作者：张力（专利号： ZL 02216578.9 ）

螺旋型体积测微器

方便资料夹

可调试拔钉锤

防切割报警防盗锁

燃气热 水器节能烟管

能追踪声音的话 筒

弯头瓶口墨水瓶

水管防冻裂减压管

无人管理公路限载设施

省力提物器

新型活动扳手

新概念信号灯

多功能自行车锁的设计

多功能防溢锅

设计发明的一般过程：1 、发现问题

2 、调查研究确定发明方向

3 、请老师、专家，上网查询、学习相关资料，分析比较确定发明主题

4 、研究发明内容，功能、特点

5 、根据发明内容、功能，设计电路或演示模型

6 、购置电路元件、演示模型相关材料

7 、实验电路

8 、制作 演示模型

9 、组合实验、演示、修改

10 、总结整理

发散性思考的重要性小组讨论的重要性敢于奇思妙想相互争论能产生创新的火花多学科交叉讨论、思考不要让经验困住手脚

收获及感想：

自己观察发现问题符合中学生的知识范围自己动手解决问题

青少年创新的三原则：

在创新的道路上感受科学之美

山高人为峰

2008 年 11月