第二章我國古代機械發(fā)展史與IASE創(chuàng)新方法機械創(chuàng)新設計目標課程目標知識目標了解我國科技發(fā)展情況，掌握IASE創(chuàng)新方法，具備創(chuàng)新方法的應用能力。能力目標具備機構與機械結構創(chuàng)新設計能力。素質(zhì)目標創(chuàng)新、集成、變換。目標知識內(nèi)容1我國科技發(fā)展歷程2創(chuàng)新問題求解思路3IASE創(chuàng)新方法我國科技發(fā)展成就最大的是哪些方面？我國科技史源遠流長，我國的科學技術在很長的一段歷史時期都居于世界領先地位，浩若煙海的科學技術成就，為世界文明的發(fā)展做出了突出的貢獻，成就最大的是農(nóng)學、天文學、數(shù)學和中醫(yī)學，誕生了諸如“四大發(fā)明”等影響世界文明進程的眾多科技成果。2.1我國科技發(fā)展歷程科技萌芽萌芽時期包括舊石器時代和新石器時代，制作工具是當時科技的重要工作，如弓箭、石器、陶器等。下頁的圖2-1是山西朔縣的峙峪遺址出土的距今28900多年前的石鏃。圖2-2是浙江跨湖橋遺址出土的漆弓。圖2-3為青海省柳灣遺址出土的石刃骨刀，這是一種石頭刀刃與骨頭手柄的組合工具，說明我國人們很早就掌握了組合的創(chuàng)新方法。圖2-1石鏃圖2-2漆弓圖2-3石刃骨刀

夏商周、春秋戰(zhàn)國時期夏商周時期奠定了中國科學技術的雛形。中國進入了青銅時代，圖2-4為各種青銅器，青銅器的鑄造冶煉技術非常高超，并且開始燒制瓷器。我國古代科學技術體系基本全面奠定于春秋戰(zhàn)國時期。這時我國廣泛使用鐵器，還出現(xiàn)了煉鋼技術和鑄鐵柔化技術。興建大規(guī)模的水利工程，比如都江堰、鄭國渠等；數(shù)學上確立了十進位制；天文學上出現(xiàn)了世界上最早的星表之一，并且測定了比較精確的回歸年長度；醫(yī)學上發(fā)明了“望、聞、問、切”的中醫(yī)醫(yī)術；利用磁石特性制成“司南”（圖2-5）。秦漢時期秦漢時期，我國古代的科學技術體系趨于成熟。發(fā)明造紙術，修建萬里長城（圖2-6），發(fā)明地動儀（圖2-7），而船舶制造、漆器工藝、紡織、冶鐵達到了高超的水平，鐵犁、耬車、水排廣泛應用（圖2-8）；《九章算術》、《傷寒雜病論》更是我國在數(shù)學、醫(yī)學上的創(chuàng)舉。兩晉南北朝、隋唐時期兩晉南北朝時期在眾多領域都取得了非常高的成就，比如酈道元的地理學科的著作《水經(jīng)注》，賈思勰的農(nóng)業(yè)著作《齊民要術》，中醫(yī)的著作有王叔和的《脈經(jīng)》、皇甫謐的《針灸甲乙經(jīng)》、陶弘景的《神農(nóng)本草經(jīng)集注》。此外，煉丹術對原始化學產(chǎn)生了重要影響；如織綾機（圖2-9）、指南車（圖2-10）、龍骨水車（圖2-11）等機器的出現(xiàn)，則代表了中國古代機械制造的水平。隋唐時期修建了趙州橋（圖2-12），發(fā)明了雕版印刷術，測量了子午線，并且開始研究恒星的運動。宋元時期宋元時期，中國古代科技走向輝煌的時期。宋朝時活字印刷術、火藥、指南針技術達到巔峰，對戰(zhàn)爭、文明的傳播、航海等產(chǎn)生了重要的影響，出現(xiàn)了一批火藥武器，比如突火槍、火箭、火炮、火銃（圖2-13）等。在天文領域，郭守敬的《授時歷》將一年分為365.2425日，廢除了我國的傳統(tǒng)上元積年法，這種近世截元法比西方早300多年。同時在地理、數(shù)學、建筑、醫(yī)學等領域也取得了非常大的成就。明清時期明清時期科技成就燦若繁星，在各行各業(yè)都取得了非凡的成就，涌現(xiàn)了許多名家巨作。比如，李時珍的《本草綱目》（圖2-14），宋應星的《天工開物》（圖2-15），徐光啟的《農(nóng)政全書》（圖2-16），徐霞客的《徐霞客游記》等，這些作品代表了醫(yī)學、農(nóng)業(yè)、手工業(yè)、地理領域的成就；故宮（圖2-17）則成為世界上現(xiàn)存規(guī)模最大、保存最完整的木質(zhì)結構建筑。近代科技鴉片戰(zhàn)爭以后，西方科學大量傳入中國，從洋務運動、戊戌變法、一直到辛亥革命，中國竭力地吸收西方科學成果。民國時期的槍械制造術、造船術、蒸汽技術、飛機技術都是海外留學學子在國內(nèi)進行的技術嘗試?，F(xiàn)代科技20世紀50年代后，中國開始了科學技術的自主研發(fā)，在國防、交通、航天航空、深海探測、生物工程等領域取得了非常大的成就。1964年第一枚原子彈爆炸成功，1967年第一枚氫彈爆炸成功，2004年中國空軍換裝殲-10戰(zhàn)機（圖2-18），2019年航母“山東艦”（圖2-19）交付海軍，這一系列自主研發(fā)的軍事科技產(chǎn)品，加強了我國的領土守衛(wèi)能力，也提高了我國的國際地位?，F(xiàn)代科技在航天航空領域，1970年“東方紅一號”（圖2-20a）發(fā)射成功，2003年“神舟五號”（圖2-20b）載人飛船發(fā)射成功，2007“嫦娥一號”（圖2-20c）探測器發(fā)射成功，2020年“天問一號”（圖2-20d）發(fā)射成功并已在火星著陸開展探索工作，預計2022前后完成太空站的建造等，這些成就使我國的航空航天技術走到了世界的前列?，F(xiàn)代科技在醫(yī)學上，1965年合成結晶牛胰島素；屠呦呦提取了青蒿素，可以有效降低瘧疾患者的死亡率，獲得了諾貝爾獎。在生物工程方面，2002年完成人類基因組合作計劃中基因的測序工作。在超級計算機技術領域，研發(fā)了銀河系列、天河系列、曙光系列、神威系列（圖2-21）等超級計算機。現(xiàn)代科技在交通領域，高鐵鐵路運營里程位居世界第一，并且自主研發(fā)生產(chǎn)了“復興號”（圖2-22）。橋梁、公路的建設也取得了輝煌的成績，2021年全國通車公路里程預計達到520萬公里，“港珠澳大橋”成為全球最長的跨海大橋（圖2-23）?，F(xiàn)代科技在其他領域，中國也取得了輝煌的成績，比如深海探測器“蛟龍”（圖2-24），南極科考站“長城站”（圖2-25），天文望遠鏡“天眼”（圖2-26），核電技術“國和一號”（圖2-27），以及深入生活的網(wǎng)絡支付技術、共享自行車等，都是我國科學工作者前赴后繼、不斷創(chuàng)新的成果。我國科技發(fā)展中的創(chuàng)新啟示我國科技發(fā)展史其實就是一部創(chuàng)新史，科技離不開創(chuàng)新方法，從最先的觀察法、試錯法，到現(xiàn)在成系統(tǒng)的創(chuàng)新方法的應用，其中常用的創(chuàng)新方法，如模仿法、創(chuàng)意列舉法、綜攝法、組合法、移植法、逆向轉換法等應用最廣。例如鋸的發(fā)明就是綜攝法中的仿生類比得到，石刃骨刀、天河系列超算等是組合法的應用，印刷術的發(fā)明體現(xiàn)了逆向轉換法、分割原理，算籌（中國古代的計算工具）體現(xiàn)了分割、抽取等發(fā)明原理，等等。同時也看到，科技發(fā)展促進了創(chuàng)新方法的發(fā)展，有很多創(chuàng)新方法是從科技發(fā)展過程提煉出來的，隨著創(chuàng)新方法體系的形成，創(chuàng)新方法（或創(chuàng)新工具）對科技發(fā)展將起助推作用，即加速技術應用與不斷完善。創(chuàng)新問題求解要經(jīng)過哪些步驟？縱觀現(xiàn)有的成體系的創(chuàng)新方法，創(chuàng)新問題求解均經(jīng)歷了問題識別、問題分析、問題求解、方案評價等幾個階段（當然有的方法是將問題分析與問題求解合為一個階段）因而本書針對創(chuàng)新問題，也采用四步走的求解思路。2.2創(chuàng)新問題求解思路問題識別問題分析方案評價問題求解創(chuàng)新問題求解流程對于創(chuàng)新問題求解，多數(shù)人的習慣直接去尋找解決方案，這樣可能會導致求解困難，即使找到一些解決方案，也會錯過一些更好的方案，因此在創(chuàng)新問題求解時，要非常重視問題識別與問題分析階段。在問題分析階段，要重視功能導向搜索工具，通過功能導向搜索尋找和借鑒其他領域成功解決方案，快速、簡便地獲得問題的解決方案或規(guī)避本領域現(xiàn)有的解決方案，有時還會避免重復勞動。案例：目前市場上的桌子一般分為固定型與折疊型。固定型的桌子面積固定，難以適應人數(shù)變化的場合；而大多數(shù)折疊型桌子通過合頁或者鉸鏈及其它機構連接在一起，通過折疊板來達到面積增大的效果。這類型的桌子雖然適應性比固定型的桌子有所提高，但也存在桌面的面積改變有限等缺點，因而需要對桌子進一步創(chuàng)新設計，以滿足用戶對桌面倍增的需求。鉸鏈折疊型折疊桌導軌型折疊桌第一步：問題識別目前市場上的桌子一般分為固定型與折疊型。第二步：問題分析固定型的桌子面積固定，難以適應人數(shù)變化的場合而大多數(shù)折疊型桌子通過合頁或者鉸鏈及其它機構連接在一起，通過折疊板來達到面積增大的效果。這類型的桌子雖然適應性比固定型的桌子有所提高，但也存在桌面的面積改變有限等缺點，例如方形變成圓形。第三步：問題求解

目標面積增加且形狀不變。提出一種集成TRIZ與可拓學的創(chuàng)新設計方法.依次使用可拓矛盾方法分析創(chuàng)新設計中的矛盾問題,然后將矛盾參數(shù)標準化,查詢TRIZ矛盾矩陣,選擇合適的發(fā)明原理建立可行解,實施可拓變換。根據(jù)TRIZ原理解的提示，需要增加組合機構，以增加桌面面積，且不改變桌子表面形狀，擴展面積較大，理論上單一的組合機構無法滿足大面積的拓展需求，因此考慮添加兩組機構以滿足拓展需要，考慮兩組機構基元變換的可行性，避免機構拓展時相互干涉，選用上下錯開的兩組機構.考慮到方桌的特殊形狀和操作的便利性，采用常用的曲柄滑塊機構，曲柄連桿機構，凸輪機構和齒輪機構等進行組合驅(qū)動面積倍增和桌形保持不變。第四步：方案評價方案一，曲柄滑塊機構和曲柄連桿機構的組合.機構本身比較簡單、容易實現(xiàn)功能、桿可以長度變化、實現(xiàn)遠距離的控制、壽命長、成本低.缺點是精度比較低，不容易實現(xiàn)精確復雜的運動規(guī)律.方案二，凸輪機構和曲柄連桿機構的組合.凸輪機構優(yōu)勢比較明顯，結構簡單、加工方便、結構緊湊、可靠性高.但是凸輪機構的缺點也較為顯著，線接觸的地方容易磨損、行程不大.方案三，齒輪機構和曲柄連桿機構的組合.齒輪機構的優(yōu)點主要為承載力大和傳動精度高.缺點主要為安裝精度差和傳動噪音大.第四步：方案評價機構組合優(yōu)點缺點曲柄滑塊機構和曲柄連桿機構的組合結構簡單、長度可變

精度較比、不易復雜運動

凸輪機構和曲柄連桿機構的組合

結構簡單、可靠

接觸磨損、行程不大

齒輪機構和曲柄連桿機構的組合

承載力大、傳動精度高

噪音大

第四步：方案評價對于方案的選擇，一般可以應用優(yōu)度評價進行優(yōu)選，這里考慮篇幅，僅進行簡單的定性比較.3種組合方案優(yōu)缺點如上表所示，考慮到問題的本質(zhì)，方桌本身不需要較大的承載力，同時需要轉動過程產(chǎn)生的音量越低越好，因此方案三不符合要求。

方案二結構簡單，但是行程太小，這樣會導致拓展的面積較小，無法達到拓展的需求.方案一結構簡單，雖然精度較低，不易進行復雜運動，但是對于當前的問題并不產(chǎn)生影響，故綜上所述，應該選擇方案一。最終方案：桌子拓展前桌子拓展后對于這個可變面積方桌的改進，大家還有什么方法嗎？請大家討論一下。什么是IASE？什么是創(chuàng)新工具難度？IASE有哪些工具？現(xiàn)在發(fā)明流程有哪些變化？2.3IASE創(chuàng)新方法TRIZ理論與可拓創(chuàng)新方法是兩類重要的創(chuàng)新方法?？赏貙W最重要的特點是它的形式化，其基本理論和方法都是符號化、模型化的?？赏貙W解決問題主要通過4個步驟完成，包括建立模型、拓展、可拓變換和優(yōu)度評價，每個步驟也包含中眾多規(guī)則。TRIZ理論來源于專利，其特點是操作性強，其解決問題同樣可以分為4步：定義問題、分析問題、問題求解、選擇最優(yōu)解。TRIZ的問題模型有4種形式：技術矛盾與物理矛盾、物質(zhì)-場問題、知識與效應庫、標準解法系統(tǒng)。

同時，TRIZ也提供相應的解題工具：矛盾矩陣、分離原理、知識與效應庫、76個標準解。并形成了系統(tǒng)的解決問題算法：ARIZ算法。將這兩類創(chuàng)新方法融合，是目前創(chuàng)新方法研究的熱點之一。IASE創(chuàng)新方法是Identification、Analysis、Solve和Evaluation四個英文單詞的縮寫。IASE創(chuàng)新方法是在分析TRIZ和可拓學解決矛盾問題之流程的異同性和優(yōu)缺點的基礎上建立的，并適當?shù)睾喕薚RIZ與可拓學，同時兼具使用性和通用性。將問題解決過程歸納為問題識別、問題分析、問題求解及方案評價四個階段，著重解決每個階段創(chuàng)新工具的選擇與應用問題。（1）IASE創(chuàng)新方法求解流程如圖所示，IASE創(chuàng)新發(fā)明流程與前面總結的創(chuàng)新問題求解流程類似，主要增加了工具選擇的策略。創(chuàng)新發(fā)明問題：是技術系統(tǒng)的實際狀況與應有的要求標準（或用戶理想要求）之間的差異。（1）IASE創(chuàng)新方法求解流程問題識別：將自然語言描述的問題進行規(guī)范化、形式化描述，并識別其中的核心問題。這里需要對初始化問題進行轉換，找到深層次問題，即核心問題。問題分析：對核心問題進行搜索或分析，尋求拓展的方向，為求解奠定基礎。問題求解：在前面拓展的各個方向上，尋找解決問題的方案。方案評價：對求解得到的多種方案進行評價優(yōu)選。選擇策略：根據(jù)創(chuàng)新工具的難度（或自身經(jīng)驗，或問題類型）進行選擇，難度的定量描述采用創(chuàng)新工具難度模型。（2）創(chuàng)新工具難度描述模型借鑒定量評價課程難度的模型，可以對創(chuàng)新工具難度進行定量的描述，建立了創(chuàng)新工具難度模型，表述為創(chuàng)新工具的廣度與深度的函數(shù)，如下所示。其中，G代表該創(chuàng)新工具的廣度；S代表該工具的深度；指加權系數(shù)，取值范圍為，反應了創(chuàng)新工具對于廣度和深度的側重程度。（2）創(chuàng)新工具難度描述模型廣度G可以由工具所包含的知識點的總個數(shù)確定。深度S通過3個因素進行綜合評價，包括記憶、理解和應用。這樣一來，式（1）就可以表達為以下式子：其中，代表深度評價的三個因素，則代表各個因素的權值。對問題求解流程的每個階段，根據(jù)上述難度模型分別對可拓學和TRIZ的創(chuàng)新工具進行定量評價，對比各工具的難度值，就可以決定在該求解階段應該