“系統性創新思維”在實踐教學中的應用

郭獻章, 張淑梅, 楊惠芳, 張娟霞, 郜啟飛 , 柳彬德, 張 敏, 王楚楚, 史文策, 杭錦泉

(1. 東北大學秦皇島分校 實驗教育中心, 河北 秦皇島 066004； 2. 東北大學秦皇島分校 大學生創新創業中心, 河北 秦皇島 066004； 3. 石家莊鐵道大學 材料學院, 河北 石家莊 050043; 4. 東北大學秦皇島分校 資源與材料學院, 河北 秦皇島 066004； 5. 東北大學秦皇島分校 計算機與通信工程學院, 河北 秦皇島 066004)

“深化教育改革,推進素質教育”是習近平同志對教育工作提出的明確要求,也是提高人才培養質量的根本途徑。以創新理論為指導、以學生的現有知識為平臺、以解決實際問題為導向、以學校所能提供的現有實驗儀器與設備為工具,綜合培養學生的動手能力與創新能力,是比較現實的、快速推進創新實驗教學改革的思想。在此思想的指導下,傳統的實驗教學不再枯燥,實驗成果也不只是對經典理論進行驗證那么乏味,而是在師生的共同努力下,運用創新性思維,為現實生活解決一些難題。這種教學方法使創新性思維很好地融入到實驗教學當中,使學生的綜合素質得到全面提升。

創新的意識、思維和落實創新的實踐能力是創新教育的最高目標,這個目標只有在不斷的創新教育探索中才能逐步實現[1]。國內學者從不同角度對大學生創新能力的影響因素進行了探討。例如王家褀、曹穎頤[2]將影響大學生創新能力的因素分為4類:創新學習能力、創新知識基礎、創新思維能力和創新技能,對大學生的創新能力有了更深刻的認識。李治根[3]、湛曉雪[4]、李琛[5]在創新型實驗教學改革中,利用大學物理實驗平臺做出了專利新產品或進一步的研究成果。張娟霞[6]將數值試驗引入到工程力學的實驗課堂,創新了實驗教學內容與形式。郭獻章、張淑梅[7]在總結了國內外的創新教育理論與實踐的基礎上,結合國內大學生創新教育,發表了“基于TRIZ-CDIO模式的大學物理實驗教學”新模式,是在教學實踐基礎上對創新教學模式的一個成功探索。

創新思想與理論也如創新本身一樣,具有多樣性、發展性,這就要求教育工作者不但要對各門派的創新理論有所研究,而且能夠針對不同的實驗題目與教學對象,創造性地設計出不同的實驗項目與內容,以利于因材施教。本文以德魯·博迪[8]的《微創新》中所講的“系統性創新思維”策略為例,以說明不同創新方法在實驗教學中的應用。

1 “系統性創新思維”原理及在實驗教學創新中意義

1.1 創新與實驗教學

對于創新的認識,有2種層面上的理解。在認知層面上,現代創新理論推翻了“天賦創新能力”的觀點(創新是天才的事,與普通人無關),認為創新能力不是與生俱來的天賦,而是可以通過后天的學習與培訓而形成的一種能力[8]。

另一種是“方法論”層面的討論:什么樣的活動才算創新？如何才能培養創新能力？一般從克里斯坦森所定義的“顛覆性創新”模式出發[9],來定義科學研究的重大創新。他認為顛覆式創新商業模式是指在傳統創新、破壞式創新和微創新的基礎之上,由量變導致質變,從逐漸改變到最終實現顛覆,通過創新,實現從原有的模式,完全蛻變為一種全新的模式和全新的價值鏈。而在科技創新上,就是具有劃時代的理論與科技突破的重大實踐。在日常實驗教學中是很難實現“重大突破”的,但這并不意味著創新與日常教學無關。“系統性創新思維”理論告訴我們,創新能力不是與生俱來的天賦,而是可以通過后天的學習與培訓而形成的一種能力,與日常生活與教學息息相關。

德魯·博迪和雅各布·戈登堡合著的《微創新——5種微小改變創造偉大產品》一書,深入研究和系統闡述了“系統性創新思維”或稱為“微創新”。該理論認為,“框架內思考”就是把解決問題的辦法與思路限定在一定的范圍內,所得到的解決方案,不一定是最佳方案,但卻是最有創意(創新性)的方案。書中以大量跨國公司的成功創新性實踐為例反復闡述了這個道理,并總結出“系統性創新思維”的5種策略,即減法、除法、乘法、任務統籌、屬性依存。這些策略與實驗教學相結合,所組合出的實驗項目,往往能達到意想不到的良好效果。

大學實驗教學,包含鞏固已學理論知識、探索未知領域的功能,也包含提升學習興趣、培養綜合能力的功能。而“系統性創新思維”的理論與策略,既能激發學生們的創新熱情與學習興趣,又可以通過已有的知識與能力,去創造性地解決自己所遇到的問題,學活了知識、培養了能力、激發了創新[10]。因此,“系統性創新思維”與大學實驗教學的結合,具有重要的積極意義。但是在教學實踐中,也一定要反復強調,任何創新都是在原有知識和能力的基礎上做出的,知識背景是創新的根基,基礎知識的學習、基本能力的訓練,必不可少。不要因為強調“系統性創新思維”而使學生認為科學創新就是“權宜”與“機巧”,從而助長了本已相當“浮躁”的學術之風。一定要讓學生認識到,基礎研究成果才是一切“奇思妙想”能夠實現的根本。這是在運用“系統性創新思維”(或稱“微創新”)進行實驗教學時所必須關注的副作用。

1.2 “系統性創新思維”策略簡介

“系統性創新思維”策略的5種模式,在創新型實驗教學的項目中不是孤立出現的,而是各有側重,相互配合而使用的。

(1) 減法策略。刪除一項產品或服務中的某個基本部件,甚至可能是其中的精華,而不找替代物,然后考慮它還有什么用途？為誰所用？書中所舉之例是把洗衣液中的活性成分去掉,創造出了全新產品—柔順劑。

(2) 除法策略。就是化整為散、分解以致勝。把某個產品分解為多個部分,打破“結構性固著”,然后將分解后的部分重組。所舉之例為把制冷壓縮機與冷風出口分離,從而出現了分體空調機、分體冰箱等新產品。

(3) 乘法策略。先明確產品、服務或流程的組成部分,選擇某個基本部分加以復制,而后將其改造成乍看上去毫無價值的東西。所舉之例有單鋒刀片向多鋒刀片的產品過渡,使藍吉列品牌所向無敵。多張照片的連續疊加,形成了電影,也是該策略的一種應用。

(4) 任務統籌策略。該策略的特點是“一專多能”,給產品、服務中的某個部分分配一個附加的任務或功能,讓它在發揮原有作用的前提下完成新的任務。比如蘋果公司的軟件外包,把原本屬于公司應用軟件工程師的大量工作,外包給其他公司或業余愛好者,從而形成一種正相關的業界生態。

(5) 屬性依存策略。指讓原本不相關的屬性,以一種有意義的方式關聯。選取產品或流程兩個原本不相關的屬性,讓一個變量隨著另一個變量的變化而變化,從而創新出新產品。例如當溫度超過38 ℃時,就會成為變色的嬰兒奶瓶。

1.3 “系統性創新思維”理論在實踐教學中的實例分析

針對控制工程學院的大三學生,基本的專業課都已經開過,模擬電子、數字電子課程已經結束,此時的創新型課程設計實踐課就可以依照“系統性創新思維”的原理與策略來進行設計。

比如在方案規劃階段,拿出一個學生常用的耳機,讓學生依照減法策略設計出一個新的產品。于是先把耳機按功能進行了分解:聽外部傳來的音頻,聽內部存貯的音頻,用麥克錄制音頻傳給對方(或存貯)。現在去掉其核心功能——“聽外部傳來的音頻,聽內部存貯的音頻”,還會有什么用途？那就只剩下錄制或聽自己的聲音這個功能了。這個功能有什么應用場景？學生在同一教室大聲背誦時,只想聽到自己的聲音,而不想聽到別人的聲音。應用場景就定義為教室中學生同時背誦。怎樣實現？用隔音耳機,隔開環境噪音,用定向拾音麥克放大自己的聲音,再用濾波軟件與硬件,濾除麥克拾到的雜音。這樣一個只能聽自己聲音的口語學習耳機的原型創造階段就結束了(見圖1)。

圖1 自聽耳機的設計思路

當然,學生在上述耳機的基礎上,又加入了藍牙功能與手機連接,同時在手機中設計了應用APP,對口語練習中的發音進行智能糾錯,這就又運用了“任務統籌策略”,從而讓這款耳機“一專多能”,更加好用。

在另一組學生中,也要求在微創新中的框架內思考,來解決公共衛生間中的臭味問題。經過思考與優化,一組學生拿出了創新方案。依照“屬性依存”策略,學生把蹲便器中用來沖水的小孔,在不沖水時向外抽氣,使臭氣還沒有在空中散發便被抽到室外,同時避開了把室內全部空氣都換一遍，而不對室內溫度產生影響的情況,節約了大量排氣所需的電能。這就是把原來沖水孔單一的沖水“屬性固著”去掉,增加了向外排氣的功能,使學生很好地理解了“屬性固著”是怎么回事(見圖2)。

圖2 一種除臭蹲便器

自動化專業的一組學生要參加全國節能減排大賽,運用“屬性依存”與“減法”策略的組合設計出了“綜合制冷制熱空氣能機”[11]。他們把空氣能熱水器與空氣能空調并列到了一塊,把各個功能部分進行了分解,發現都有一個壓縮機,只不過在空調中是用來制冷,在熱水器中是用來加熱。然而它制冷時卻浪費了熱能,制熱時也把冷氣散到室外。首先,打破了壓縮機在兩種機器中的“屬性固著”,也就是它能制冷也能制熱；然后運用減法策略,去掉一個機器中的壓縮機,發現可以用另一個機器中的壓縮機；再分析后又發現,可以用制冷時發散出的熱能來使水升溫,實現熱水器的功能,也可以用制熱時所需要吸收熱量的特性,來實現制冷的功能；最后一個最簡單的應用場景就設計了一個帶有熱水器的冰箱(見圖3)。

圖3 室內制冷及制熱系統

2 創新型課程設計實踐的實例

2.1 創新性功能設計與定義

去除耳機最基本的“聽音樂功能”,改為只聽自己的聲音為基本功能,服務對象是同時在教室中背書的學生。再用“任務統籌”策略,加入更多的輔助功能。

一款基于語音接收與識別技術的口語學習輔助耳機,通過將一個返聲功能裝載到人們平時使用的隔音耳機中,使人們在噪雜環境中只聽到自己誦讀聲,濾出環境中的其他噪聲,從而提高外語口語學習效率。使用時,使用者只需戴上耳機,打開手機藍牙,與耳機進行藍牙配對,然后打開測試APP進行實時的口語評測,并在使用者結束朗誦后,給出評測分數和進一步的訓練意見。

2.2 創新性功能的實現

設計完成之后,一款與眾不同,而需求面廣的新產品已經展開了藍圖。從用戶的角度來設計應用,以獲得產品的良好用戶體驗。

使用者打開耳機開關開始誦讀,聲音獲取裝置開始收集使用者的聲音信息,因其采用了心型曲線的單指向性麥克風,只拾取前方和兩側的部分聲音,有效降低了周邊環境的雜音。聲音模擬信號被獲取后進入信號轉換模塊,該模塊采用MAX9812芯片,將所獲聲音信號轉換為電信號,聲音電信號進入采樣模塊,通過MSP430F5244單片機對電信號進行AD采樣獲取數字信號,接下來數字信號被送入濾波模塊,通過Kalman濾波從一系列存在測量噪聲的數據中估計動態系統的狀態,對所采集聲音信號進行即時的處理,從而有效地濾除高斯白噪聲,接下來濾除噪聲后的聲音數字信號進入輸出模塊,通過MSP430F5244單片機控制DA轉換模塊輸出電信號。揚聲模塊將DA輸出的電信號進行放大后,輸出給隔音耳機的揚聲器。

揚聲器的功放模塊采用增大單片機的輸出功率,驅動揚聲器工作,最終輸出有效的聲音信號(見圖4)。

圖4 口語輔助耳機工作流程

3 創新型實踐教學研究的意義

隨著我國社會主義新時代的到來,國家與人民對教育質量的要求也開始不斷提高[12]。因此將創新思維運用到實驗教學中,能夠充分體現學生的自我創造性,使學生在掌握應學知識和技能的同時,逐漸形成創新意識,培養創新思維能力[13]。在新時代中,創新教育實驗模式對于人才的培養格外重要,在實驗中引發學生對模型改進的思考,對其提出的新想法加以引導,能夠激發學生學習新知識的興趣,引發學生動手實踐和驗證模型可行性的動力,同時也能鍛煉其團隊配合能力,通過實驗加深對專業知識的掌握與深刻理解[14]。

口語學習輔助耳機融合了“系統性創新思維”的創新策略與智慧校園的概念,在實現了學習耳機降噪的功能與學習輔助功能的同時,學生掌握了硬件的制作與軟件APP的編寫與調試,又通過對糾錯功能的實現,掌握了運用大數據服務平臺進行相關數據挖掘的知識與能力。

隨著現代信息技術的日益發展,校園的教學管理早已不像往日那樣單一,智慧校園隨著互聯網創新的發展潮流,變得更信息化、智能化,而教師的知識與技能也要應時而變,進行系統化的創新與重塑,才能自信地面對高等教育轉型發展和互聯網+萬眾創新所帶來的機遇與挑戰[15]。

4 結語

本文主要對一種基于“系統性創新思維”的新型實踐教學方法進行了探索與研究。與傳統實踐教學相比,“系統性創新思維”的理論與策略應用于實驗教學,創新了教學內容與教學模式,在實驗教學中培養和鍛煉了學生的創新思維與創新能力,同時提升了學生的學習興趣,綜合了傳統實驗教學內容,使整個實驗教學在創新型項目的實現過程中得到了升華。

在這種實驗教學模式下,“系統性創新思維”引導學生突破慣性思維,進行“框架內思考”,激發學生的創新熱情,找出新型實驗(課程設計、畢業設計)的創新方案與項目。這些項目本身具有創新性、實用性、綜合性,在其實現過程中,能夠貫穿所有已經掌握的知識與技能,還能完成傳統的實驗教學的任務。更重要的是,為了使其“產品”具有時代感,學生會結合現有信息技術與“互聯網+”的應用,去向各方面的高手與專家請教,并組成共同研發的團隊,從而培養了自身的綜合能力。

基于“系統性創新思維”的思想與原理,對實踐教學進行改革,是我們近2年來的一個重要嘗試。在師生的共同努力下,這一教學改革已取得了初步成就,如上所述,微創新下多種創新策略的成功實例,與學生的學習、生活、工作密切相關。很多的創新團隊、創新項目與相關創新成果不斷涌現,標志著創新教育為實踐教學打開了全新的領域,“系統性創新思維”下的教學實驗模式有很大的發展前景。