黃國慶 王洪

摘? 要：作者通過大學生產品創(chuàng)新能力培養(yǎng)的實例，以及應用物理理論對汽車空氣阻力進行計算，并應用計算結果去指導和分析高速列車設計的案例。系統地總結培養(yǎng)大學生創(chuàng)新能力的體會，并提出自己對創(chuàng)新能力培養(yǎng)的建議，供大家參考。

關鍵詞：產品創(chuàng)新能力;物理模型;逆向思維能力

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2096-000X（2022）20-0062-04

Abstract： The author systematically summarizes the experience of cultivating college students' innovation ability， by examples of college students' training for product innovation ability， and by the calculation results to guide and analyze high-speed train design， which innovates applying physics theory to calculate automobile air resistance. At last， the author puts forward their own suggestions for your reference.

Keywords： product innovation; physical modeling; reverse thinking

當前，實施創(chuàng)新教育，培養(yǎng)大學生的創(chuàng)造能力已成為當代中國高等教育的主旋律。隨著高校創(chuàng)新實踐育人工作的不斷深入，2012 年教育部等有關部門印發(fā)了《教育部等部門關于進一步加強高校實踐育人工作的若干意見》的指導性文件，進一步強調高校實踐育人工作對創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的重要性。本文作者所在的學校的大學生可以通過選修學科競賽類課程，參與科研訓練項目，申請創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃，參加文藝類演出、體育類競賽，參加國（境）外研修，選修創(chuàng)新實驗模塊項目等獲得創(chuàng)新學分。設立創(chuàng)新學分充分肯定學生的科研與創(chuàng)造發(fā)明，有利于進一步激發(fā)學生以更大的熱情投入科研與創(chuàng)造中，從而對學分制體系產生良性互動。本文作者在物理系任教期間，共同承擔了材料物理與化學本碩班的必修課——大學物理理論和實驗課程的教學，改進了該本碩班的大學物理創(chuàng)新實驗教學計劃、豐富了創(chuàng)新實驗教學內容。作者所在教學和科研團隊對本科生創(chuàng)新實驗和實踐能力培養(yǎng)進行了一些研究[1-3]，完善了實踐教學環(huán)節(jié)。這些對激發(fā)學生學以致用的主動性起到了積極的推動作用，對促進學生學好專業(yè)課程具有深遠意義。

本文作者輔導學生獲得了全國大學生創(chuàng)新大賽的一等獎及2項科研成果，對學生產品創(chuàng)新能力的培養(yǎng)有較深感觸[4]。尤其是指導學生用高等數學和物理定律去計算創(chuàng)新產品的設計，將有效地提高學生的產品創(chuàng)新能力，產品創(chuàng)新能力由產品創(chuàng)新的實踐能力和產品創(chuàng)新的科學計算能力組成，產品創(chuàng)新的實踐能力又由觀察能力、聯想能力、逆向思維能力、緊扣產品功能的能力組成。現結合相關能力對產品創(chuàng)新所起到的作用闡述如下。

由于任何產品的創(chuàng)新都遵循以下步驟：（1）觀察現有產品的結構;（2）強化產品的功能;（3）優(yōu)化產品結構充分聯想新技術新材料;（4）當產品的升級遇到瓶頸時，很可能用逆向思維方法可取得柳暗花明又一村的效果;（5）對此前的產品設計進行科學計算，根據計算結果進行尺寸和材料的優(yōu)化。

一、緊扣產品功能的能力培養(yǎng)[5]

只有緊扣產品的功能，才能在產品設計時，少走彎路，不落俗套。例如，現有汽車的油量表都是一格一格地顯示，有人發(fā)明了一種數字顯示油量表，雖然汽車的油量清楚了，但成本增加了，產品結構也復雜了，如果緊扣油量表的功能就是為了顯示油量，那么將顯示油量的格子改成數字（圖1），就達到了顯示油量的效果，這既沒有復雜產品的結構，也沒有增加產品的成本。因此緊扣產品功能的能力培養(yǎng)，能在產品設計初期取得畫龍點精的效果。

二、觀察能力的培養(yǎng)[6]

任何事物的創(chuàng)新都離不開觀察，觀察就是直觀細致地學習別人的長處。認真仔細地發(fā)現產品的缺陷，它是一切創(chuàng)新的起點，也是靈感的觸發(fā)點。通過以下2例來說明觀察能力對創(chuàng)新所起的作用。

1. 求數列1，2，3，4，……97，98，99，100的和。

當年數學家高斯在讀小學時，就通過觀察發(fā)現以上數列中第N項與數列中倒數N項的和為常數101，這樣1至100的自然數之和就輕而易舉的計算出來了。

2. 工廠里現在使用的普通鋸條（圖2）是單邊有齒的，當它磨損后，就報廢處理。若使用雙面鋸條（圖3），因為其兩邊都有齒，使用率將提高一倍，因此使用成本將減少近一倍。

以上例子告訴我們，創(chuàng)新產品，必須先觀察已有的產品或相似的產品，才能發(fā)現和學習別人的長處，改正別人的缺陷，得到創(chuàng)新的靈感。

三、聯想能力的培養(yǎng)[7]

在創(chuàng)新產品時，充分發(fā)揮自己的聯想能力，舉一反三，才能將好的技術和方法推廣到極致。例如，盾構機的體積特別大，安裝困難，刀頭使用壽命短，能耗高，在開挖隧道時，根本不需要碾碎巖石和泥土。如果用高壓水刀切割隧道，設備體積小，能耗低，無須更換刀頭，同樣，開采花崗巖，也可用水刀切割山體，無須炸藥，既安全，又節(jié)約巖石資源。不僅有遙控汽車、遙控飛機、遙控潛艇，還可以設計遙控可回收的導彈。因此充分發(fā)揮聯想能力可在產品創(chuàng)新時做到事半功倍。

四、逆向思維能力的培養(yǎng)[8]

在產品升級換代停滯不前時，必須仔細回顧設計思路，采用批判的視角去評判以前的思路，這樣才能創(chuàng)新出領先的產品。例如，現有的抽油煙機，為了抽得干凈，不斷加大抽風量，這樣既損失了大量的熱量，又增大了噪音，增大了能耗;一支點燃的蠟燭，一個人在一米遠很難通過吸氣熄滅它，但一個人在一米遠很容易通過吹氣熄滅它。因此最新式的抽油煙機是吹氣和吸氣相結合的裝置。又如，人們注射疫苗，不是為了躲避病毒，而是在接觸病毒時使自己產生抗體。因此只有通過逆向思維才容易使產品產生質的飛躍。

五、應用物理理論進行測量分析及計算能力的培養(yǎng)[9]

（一）簡單的測量例子

例如，針對一年級的大學生，要帶學生一起來測量汽車與地面的摩擦系數μ。此時讓汽車的不同初速度（速度小于30 km/h）掛空檔，通過同一條道路后停下。此時車輛的初速度與里程都可通過車上的儀表顯示出來，這時有物理方程：

。同學們會發(fā)現μ基本上為常數，但隨著速度增加，μ也在緩慢增大。

（二）根據理論計算與實驗誤差提出新的假設

當速度提高到60 km/h以上時，與較低初速度滑行不同，摩擦系數μ值增大很多，這時就要提醒同學們考慮空氣阻力。

假設空氣阻力f與車速v的關系為以下二種形式：

則得到汽車滑行的二種微分方程：

求解（4）得到的解：

求解（5）得：

，? （8）

（三）再用實驗檢驗新的假設

通過實驗測定v與t的多組對應關系，這時就發(fā)現只要在無風的同一道路上，以不同速度滑行得到的空氣阻力完全符合：

f（？淄）=b？淄2 。? ? ?（10）

六、對實驗結果分析后，建立物理模型進行計算能力的培養(yǎng)[10-11]

根據常識很容易分析出汽車前面的迎風面積增加一倍，其迎風阻力就增加一倍，正像歐姆定律中導體長度增加一倍，電阻就增加一倍一樣，此時風阻還與車輛前端迎風面的傾角有關，假設汽車前端迎風面與水平面夾角為α，汽車前面以MN位置行駛到M′N′位置（圖4），N在M的上方，N′在M′的上方。

此時原來在M處的空氣薄片被擠到N處，設車速為V，車寬為H，車頭高為h，將dx（微元）厚的氣體（圖5）擠到NN′水平面所需功能元為：

而不同高度y的空氣被擠壓到NN′水平面時，行走的距離與y成正比，因此空氣向上的速度Vy由以下式子可推導出：

將式（13）代入式（11）并對y積分可得：

由于單位時間dx的微分為速度V，可以得到單位時間內車輛通過V的路程對空氣所做的功（即功率P）：

考慮汽車受到的空氣阻力為f，單位時間克服空氣阻力所做的功等于單位時間空氣分子得到的動能：

因為汽車的迎風面積是S=hH ，

可得風阻系數力b：? ? ? ? ? ? ? （18）

所以汽車風阻系數與tan2？琢成正比。

圖4 車輛風阻分析圖

圖5 車輛風阻微元分析圖

七、用理論結果指導應用的能力培養(yǎng)[12-13]

研究發(fā)現隨著動車速度逐步提高，車頭越來越尖，越來越長。如圖6、圖7中的CRH和A380高速列車，設它們的傾角分別為？琢普動速=45°、？琢高速=30°，假設它們運行時，受到同樣大的空氣阻力，兩者的速度關系為：

即高速列車的速度是普通列車速度的倍，它們受到空氣阻力相同，故傾角？琢對空氣阻力有非常大的影響。

由于空氣阻力與V2成正比，考慮到火箭發(fā)射時的高速飛行，就可作如下設想。

（1）火箭箭頭α角應盡量小。因為阻力近似與tan2α成正比。

（2）根據大氣密度，應讓火箭在起飛時推力略大于重力即可。只有當h很大，空氣很稀薄時，才高速飛行以減少發(fā)射燃料的消耗和火箭表面因風阻產生的熱量。因此通過上述能力的培養(yǎng)，學生就能較快地成為創(chuàng)新產品的主力軍。

八、結論

縱觀以上各種能力培養(yǎng)的例子，我們覺得對大學生在能力培養(yǎng)的同時，還要打好扎實的理論基礎，認真體會前人對科學定律發(fā)現的技巧，像伯努利推導伯努利方程的方法，以及麥克斯韋通過電磁場方程預言電磁波的存在都是很好的例子。要敢于提出新的理論，也敢于對自己的理論質疑。能通過豐富的聯想，去推廣科學理論的應用。擅于利用其他學科的方法來解決遇到的問題，正所謂“他山之石，可以攻玉”。通過創(chuàng)新能力培養(yǎng)學生的產品創(chuàng)新能力一定會得到很大的提高。

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