黃國(guó)慶 王洪

摘? 要：作者通過(guò)大學(xué)生產(chǎn)品創(chuàng)新能力培養(yǎng)的實(shí)例，以及應(yīng)用物理理論對(duì)汽車(chē)空氣阻力進(jìn)行計(jì)算，并應(yīng)用計(jì)算結(jié)果去指導(dǎo)和分析高速列車(chē)設(shè)計(jì)的案例。系統(tǒng)地總結(jié)培養(yǎng)大學(xué)生創(chuàng)新能力的體會(huì)，并提出自己對(duì)創(chuàng)新能力培養(yǎng)的建議，供大家參考。

關(guān)鍵詞：產(chǎn)品創(chuàng)新能力;物理模型;逆向思維能力

中圖分類(lèi)號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號(hào)：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(dāng)前，實(shí)施創(chuàng)新教育，培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)造能力已成為當(dāng)代中國(guó)高等教育的主旋律。隨著高校創(chuàng)新實(shí)踐育人工作的不斷深入，2012 年教育部等有關(guān)部門(mén)印發(fā)了《教育部等部門(mén)關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)高校實(shí)踐育人工作的若干意見(jiàn)》的指導(dǎo)性文件，進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)高校實(shí)踐育人工作對(duì)創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的重要性。本文作者所在的學(xué)校的大學(xué)生可以通過(guò)選修學(xué)科競(jìng)賽類(lèi)課程，參與科研訓(xùn)練項(xiàng)目，申請(qǐng)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃，參加文藝類(lèi)演出、體育類(lèi)競(jìng)賽，參加國(guó)（境）外研修，選修創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)?zāi)K項(xiàng)目等獲得創(chuàng)新學(xué)分。設(shè)立創(chuàng)新學(xué)分充分肯定學(xué)生的科研與創(chuàng)造發(fā)明，有利于進(jìn)一步激發(fā)學(xué)生以更大的熱情投入科研與創(chuàng)造中，從而對(duì)學(xué)分制體系產(chǎn)生良性互動(dòng)。本文作者在物理系任教期間，共同承擔(dān)了材料物理與化學(xué)本碩班的必修課——大學(xué)物理理論和實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)，改進(jìn)了該本碩班的大學(xué)物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)計(jì)劃、豐富了創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。作者所在教學(xué)和科研團(tuán)隊(duì)對(duì)本科生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐能力培養(yǎng)進(jìn)行了一些研究[1-3]，完善了實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)。這些對(duì)激發(fā)學(xué)生學(xué)以致用的主動(dòng)性起到了積極的推動(dòng)作用，對(duì)促進(jìn)學(xué)生學(xué)好專(zhuān)業(yè)課程具有深遠(yuǎn)意義。

本文作者輔導(dǎo)學(xué)生獲得了全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新大賽的一等獎(jiǎng)及2項(xiàng)科研成果，對(duì)學(xué)生產(chǎn)品創(chuàng)新能力的培養(yǎng)有較深感觸[4]。尤其是指導(dǎo)學(xué)生用高等數(shù)學(xué)和物理定律去計(jì)算創(chuàng)新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，將有效地提高學(xué)生的產(chǎn)品創(chuàng)新能力，產(chǎn)品創(chuàng)新能力由產(chǎn)品創(chuàng)新的實(shí)踐能力和產(chǎn)品創(chuàng)新的科學(xué)計(jì)算能力組成，產(chǎn)品創(chuàng)新的實(shí)踐能力又由觀察能力、聯(lián)想能力、逆向思維能力、緊扣產(chǎn)品功能的能力組成?，F(xiàn)結(jié)合相關(guān)能力對(duì)產(chǎn)品創(chuàng)新所起到的作用闡述如下。

由于任何產(chǎn)品的創(chuàng)新都遵循以下步驟：（1）觀察現(xiàn)有產(chǎn)品的結(jié)構(gòu);（2）強(qiáng)化產(chǎn)品的功能;（3）優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)充分聯(lián)想新技術(shù)新材料;（4）當(dāng)產(chǎn)品的升級(jí)遇到瓶頸時(shí)，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(duì)此前的產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行科學(xué)計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行尺寸和材料的優(yōu)化。

一、緊扣產(chǎn)品功能的能力培養(yǎng)[5]

只有緊扣產(chǎn)品的功能，才能在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，少走彎路，不落俗套。例如，現(xiàn)有汽車(chē)的油量表都是一格一格地顯示，有人發(fā)明了一種數(shù)字顯示油量表，雖然汽車(chē)的油量清楚了，但成本增加了，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)也復(fù)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(shù)字（圖1），就達(dá)到了顯示油量的效果，這既沒(méi)有復(fù)雜產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，也沒(méi)有增加產(chǎn)品的成本。因此緊扣產(chǎn)品功能的能力培養(yǎng)，能在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期取得畫(huà)龍點(diǎn)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(kāi)觀察，觀察就是直觀細(xì)致地學(xué)習(xí)別人的長(zhǎng)處。認(rèn)真仔細(xì)地發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的缺陷，它是一切創(chuàng)新的起點(diǎn)，也是靈感的觸發(fā)點(diǎn)。通過(guò)以下2例來(lái)說(shuō)明觀察能力對(duì)創(chuàng)新所起的作用。

1. 求數(shù)列1，2，3，4，……97，98，99，100的和。

當(dāng)年數(shù)學(xué)家高斯在讀小學(xué)時(shí)，就通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)以上數(shù)列中第N項(xiàng)與數(shù)列中倒數(shù)N項(xiàng)的和為常數(shù)101，這樣1至100的自然數(shù)之和就輕而易舉的計(jì)算出來(lái)了。

2. 工廠里現(xiàn)在使用的普通鋸條（圖2）是單邊有齒的，當(dāng)它磨損后，就報(bào)廢處理。若使用雙面鋸條（圖3），因?yàn)槠鋬蛇叾加旋X，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(chǎn)品，必須先觀察已有的產(chǎn)品或相似的產(chǎn)品，才能發(fā)現(xiàn)和學(xué)習(xí)別人的長(zhǎng)處，改正別人的缺陷，得到創(chuàng)新的靈感。

三、聯(lián)想能力的培養(yǎng)[7]

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

四、逆向思維能力的培養(yǎng)[8]

在產(chǎn)品升級(jí)換代停滯不前時(shí)，必須仔細(xì)回顧設(shè)計(jì)思路，采用批判的視角去評(píng)判以前的思路，這樣才能創(chuàng)新出領(lǐng)先的產(chǎn)品。例如，現(xiàn)有的抽油煙機(jī)，為了抽得干凈，不斷加大抽風(fēng)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(diǎn)燃的蠟燭，一個(gè)人在一米遠(yuǎn)很難通過(guò)吸氣熄滅它，但一個(gè)人在一米遠(yuǎn)很容易通過(guò)吹氣熄滅它。因此最新式的抽油煙機(jī)是吹氣和吸氣相結(jié)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(shí)使自己產(chǎn)生抗體。因此只有通過(guò)逆向思維才容易使產(chǎn)品產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。

五、應(yīng)用物理理論進(jìn)行測(cè)量分析及計(jì)算能力的培養(yǎng)[9]

（一）簡(jiǎn)單的測(cè)量例子

例如，針對(duì)一年級(jí)的大學(xué)生，要帶學(xué)生一起來(lái)測(cè)量汽車(chē)與地面的摩擦系數(shù)μ。此時(shí)讓汽車(chē)的不同初速度（速度小于30 km/h）掛空檔，通過(guò)同一條道路后停下。此時(shí)車(chē)輛的初速度與里程都可通過(guò)車(chē)上的儀表顯示出來(lái)，這時(shí)有物理方程：

。同學(xué)們會(huì)發(fā)現(xiàn)μ基本上為常數(shù)，但隨著速度增加，μ也在緩慢增大。

（二）根據(jù)理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)誤差提出新的假設(shè)

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

假設(shè)空氣阻力f與車(chē)速v的關(guān)系為以下二種形式：

則得到汽車(chē)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(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)新的假設(shè)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定v與t的多組對(duì)應(yīng)關(guān)系，這時(shí)就發(fā)現(xiàn)只要在無(wú)風(fēng)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(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析后，建立物理模型進(jìn)行計(jì)算能力的培養(yǎng)[10-11]

根據(jù)常識(shí)很容易分析出汽車(chē)前面的迎風(fēng)面積增加一倍，其迎風(fēng)阻力就增加一倍，正像歐姆定律中導(dǎo)體長(zhǎng)度增加一倍，電阻就增加一倍一樣，此時(shí)風(fēng)阻還與車(chē)輛前端迎風(fēng)面的傾角有關(guān)，假設(shè)汽車(chē)前端迎風(fēng)面與水平面夾角為α，汽車(chē)前面以MN位置行駛到M′N(xiāo)′位置（圖4），N在M的上方，N′在M′的上方。

此時(shí)原來(lái)在M處的空氣薄片被擠到N處，設(shè)車(chē)速為V，車(chē)寬為H，車(chē)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(shí)，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(dǎo)出：

將式（13）代入式（11）并對(duì)y積分可得：

由于單位時(shí)間dx的微分為速度V，可以得到單位時(shí)間內(nèi)車(chē)輛通過(guò)V的路程對(duì)空氣所做的功（即功率P）：

考慮汽車(chē)受到的空氣阻力為f，單位時(shí)間克服空氣阻力所做的功等于單位時(shí)間空氣分子得到的動(dòng)能：

因?yàn)槠?chē)的迎風(fēng)面積是S=hH ，

可得風(fēng)阻系數(shù)力b：? ? ? ? ? ? ? （18）

所以汽車(chē)風(fēng)阻系數(shù)與tan2？琢成正比。

圖4 車(chē)輛風(fēng)阻分析圖

圖5 車(chē)輛風(fēng)阻微元分析圖

七、用理論結(jié)果指導(dǎo)應(yīng)用的能力培養(yǎng)[12-13]

研究發(fā)現(xiàn)隨著動(dòng)車(chē)速度逐步提高，車(chē)頭越來(lái)越尖，越來(lái)越長(zhǎng)。如圖6、圖7中的CRH和A380高速列車(chē)，設(shè)它們的傾角分別為？琢普動(dòng)速=45°、？琢高速=30°，假設(shè)它們運(yùn)行時(shí)，受到同樣大的空氣阻力，兩者的速度關(guān)系為：

即高速列車(chē)的速度是普通列車(chē)速度的倍，它們受到空氣阻力相同，故傾角？琢對(duì)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(shí)的高速飛行，就可作如下設(shè)想。

（1）火箭箭頭α角應(yīng)盡量小。因?yàn)樽枇婆ctan2α成正比。

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

八、結(jié)論

縱觀以上各種能力培養(yǎng)的例子，我們覺(jué)得對(duì)大學(xué)生在能力培養(yǎng)的同時(shí)，還要打好扎實(shí)的理論基礎(chǔ)，認(rèn)真體會(huì)前人對(duì)科學(xué)定律發(fā)現(xiàn)的技巧，像伯努利推導(dǎo)伯努利方程的方法，以及麥克斯韋通過(guò)電磁場(chǎng)方程預(yù)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(duì)自己的理論質(zhì)疑。能通過(guò)豐富的聯(lián)想，去推廣科學(xué)理論的應(yīng)用。擅于利用其他學(xué)科的方法來(lái)解決遇到的問(wèn)題，正所謂“他山之石，可以攻玉”。通過(guò)創(chuàng)新能力培養(yǎng)學(xué)生的產(chǎn)品創(chuàng)新能力一定會(huì)得到很大的提高。

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