第十七讲计算机辅助创新技术3
计算机辅助创新
计算机辅助创新计算机辅助创新，是利用计算机的技术和工具来辅助人类完成创新活动的过程。
计算机辅助创新是一个综合性的概念，涉及到计算机科学、信息技术、工程学等多个学科领域。
计算机辅助创新在现代社会中发挥着越来越重要的作用，它不仅可以提高创新的效率和质量，而且还可以促进创新的深度和广度。
一、计算机辅助创新的基本概念计算机辅助创新是指利用计算机的技术和工具来辅助人类完成创新活动的过程。
计算机辅助创新是一个综合性的概念，涉及到计算机科学、信息技术、工程学等多个学科领域。
计算机辅助创新可以包括但不局限于以下内容：1.计算机模拟和仿真：利用计算机来模拟和仿真各种自然和社会现象，以便更好地理解和解释这些现象，是很多科学和工程领域的重要研究手段。
2.虚拟现实技术：利用计算机技术来创建虚拟环境，包括虚拟现实、增强现实等技术，是一种新兴的交互式技术，可以使用户身临其境地体验各种场景和事件。
3.人工智能和机器学习：利用计算机技术来模拟和实现人类智能的各种能力，包括感知、认知、学习、推理和决策等，是人工智能和机器学习领域的重要研究内容。
4.数据挖掘和分析：利用计算机技术来挖掘和分析各种类型的数据，包括结构化数据和非结构化数据，以发现有意义的模式和规律，是现代数据科学和商业分析领域的核心技术之一。
5.计算机辅助设计和制造：利用计算机技术来辅助产品设计、制造和工程管理等过程，包括 CAD、CAM、CAE 等技术，是现代制造业的重要技术手段。
二、计算机辅助创新的应用领域1.科学研究领域计算机辅助创新在各种科学研究领域中都有广泛的应用，包括天文学、地球科学、材料科学、生物科学、医学等。
计算机科学和信息技术的发展使得庞大和复杂的数据集得以更有效地处理和分析，提高了科学研究的效率和质量。
科学家们也利用计算机技术来模拟和仿真自然系统，以更好地理解和预测它们的行为。
2.商业应用领域计算机辅助创新在商业应用领域中也有着广泛的应用，包括数据分析、商业智能、虚拟现实等领域。
计算机辅助教学
(6)问题求解：让学生以多种途径运用规则和概念，得到问题的解，既要求学生不仅知道问题的正确答案， 而且掌握其解答过程。在具体的教学过程中，根据教学内容表达的需要和教学目的的要求，需要在同一课程不同 的内容或不同的教学环节中交叉使用这些教学模式。
发展趋势
标准化发展
计算机辅助教学是一项复杂的系统工程，在设计开发过程中，必须制订和遵守统一标准，保证系统的可扩展 性。建立国家标准计算机辅助教学的数据编码标准或规范，制订教学应用软件开发和建设规范，规范教学应用软 件系统的开发建设，保证应用的有机集成。
虚拟化发展
虚拟化是计算机辅助教学发展的另一主要趋向。随着计算机的运行速度的快速提高，大容量、高速度的数据 存储工具的发明以及各种人机界面技术和虚拟现实技术的发展，计算机处理大批量的声音、图像信息将变得随心 所欲。在计算机辅助教学中，虚拟现实技术将得到广泛应用，学生不仅仅听到或看到各种信息，而且可以进入到 学习内容中去；地理课将身临其境地感受世界风土人情；历史课将走入时间隧道，重温历史事件；实验课将真实 再现遗传变异、原子裂变……总之，教学中的感性知识和理性知识隔裂，直接经验与间接经验脱节的情况随着虚 拟技术在计算机辅助教学中的推广运用一去不复返。
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2）计算机辅助教学课件的制作： CAI系统工程核心是课件。由课件设计者根据教学要求用CAI写作工具或计 算机语言编制而成。
3)计算机辅助教学写作工具与环境：CAI写作工具是提供给课程教师编制是英文COMPUTERASSISTED INSTRUCTION的缩写。 美国是进行计算机辅助教学研究和应用最早的国家，所以CAI的历史基本上是以美国CAI发展历史为主线。近 四十年来，CAI的发展大体上经历了五个阶段。 （1）1958--1965年 图书《计算机辅助教学技术》这是CAI发展的初期阶段。在这个时期，主要是以大学和计算机公司为中心开 展的软件硬件开发研究工作，并出现了一些有代表性的系统。如：PLATO系统。 （2）1965--1970年 这一时期的特点是研究规模扩大，并且将以前的研究成果投入应用。斯坦福大学在1966年研制了IBM1500教 学系统。 （3）1970--1975年 这一时期，CAI的应用范围不断扩大，并进一步趋向实用化。开发的科目除了数学，物理之外，在医学、语 言学、经济学、音乐等多种学科领域均开展了CAI的应用。
计算机辅助
计算机辅助第一章1计算机辅助教育CBE (Computer-Based Education) 是计算机在教育中的重要应用，它是为了提高教育质量和效率，利用计算机技术（硬件技术和软件技术），按照科学的方法解决教育过程中的问题，如解决教学、管理以及教育研究中的问题，由此形成的一种新的教育技术。
CBE主要包括两个方面：计算机辅助教学CAI (Computer-Assisted Instruction) 和计算机管理教学CMI (Computer-Managed Instruction)。
2 CAI是计算机辅助教育中的重要组成部分，是教师为了提高教学效果和效率，利用以计算机为中心的丰富的教学资源，改进传统教学，或为学生提供一个学习环境，使学生通过与计算机的交互对话进行学习的一种教学形式。
指用计算机帮助或代替教师执行部分教学任务，向学生传授知识和提供技能训练，直接为学生服务。
3 CMI是以计算机为主要处理手段所进行的教学管理活动。
包括用计算机帮助教师监测和评价学生的学习进展情况等。
计算机辅助教育行政管理：收集和汇总各种行政管理信息，存放于相应的数据库中，以备查询或报告；提供工作的计划、管理、调度、规划等。
第二章1加涅学习过程的九个阶段? 引起注意——变化刺激、吸引兴趣改变体态、语调、音量? 告知目标——激起期望? 刺激回忆——明确同化新知识的经验范围? 呈示材料——注意考虑年龄、基础、学习类型等因素，安排顺序和份量? 提供指导——注意掌握指导的程度? 诱引行为——促使学生主动参与，积极作出反应? 及时强化——给学生行为及时反馈? 检查评价——独立测试、单元测试等方法? 促进迁移——系统复习、及时布置新任务第三章CAI的基本过程传统教学过程教师根据教学目的、任务和学生身心发展的特点，通过指导学生有目的、有计划地掌握系统的文化科学基础知识和基本技能，发展学生智力和体力，形成科学世界观及培养道德品质、发展个性的过程。
计算机辅助创新技术
法则2 能量传递法则 能量传递法则的内涵包括： l）技术系统要实现其功能，必须保证：能量能够从 能量源流向技术系统的所有元件。 2）技术系统的进化应该沿着能量流动路径缩短的 方向发展，以减少能量损失。 用手摇绞肉机替代菜刀，刀片的旋转运动代替 了菜刀的垂直运动，能量传递路径缩短，能量损失 减少，因而提高了效率 很好地掌握“能量传递法则”，有助于我们减 少技术系统的能量损失，保证其在特定的阶段保持 最高效率。
第一节 计算机辅助创新的理论基础 —TRIZ理论 前苏联尽管在经济发展水平上与美国有很大 差距，但两超争霸时代，在高精尖科技领域， 前苏联不但毫不逊色，有些项目上还有相对 优势。究竟有什么秘诀能使前苏联的产品创 新水平远远高于其经济发展水平呢？冷战结 束后，人们才知道，答案是教育，是前苏联 的一流的工程教育和一个名为 Genrich Altshuller的科学家创立的TRIZ使其在相当长 时期内保持着旺盛的科技创新活力。
TRIZ是什么？它是 Theory of Inventive Problem Solving的俄文缩写，译意是“创造性解决问题方 法”。1946年，年仅20岁的Altshuller发明了TRIZ 理论。Altshuller是前苏联海军的一名专利顾问。在 处理世界各国著名的发明专利过程中，他常常考虑 这样一个问题：当人们进行创造发明、解决技术难 题时，是否有可遵循的科学方法与法则，从而能迅 速地实现新的发明创造或解决技术难题？答案是肯 定的！经过多达1500人／年和对世界上下250万个 专利的分析研究，Altshuller发现，任何领域的产品 改进技术的变革、创新和生物系统一样，都存在产 生、生长、成熟、衰老、灭亡的过程，是有规律可 循的，人们如果掌握了这些规律，就能主动地进行 新产品设计并能预测产品的未来发展趋势。
计算机辅助技术
4)智能化。计算机辅助技术一个明显的趋向是智能机器，即采用越来越多的微处理器形成带内部智能的新一 代机器。利用人工智能技术进行辅助设计，可使知识信息处理和数值信息处理结合起来，用专家知识来解决专门 问题。这里的智能指机器可以通过知识的积累、存储、联想、类比、分析、计算、比较、论证、优选等信息处理 过程，实现智能化。
影响
计算机辅助技术的深远影响在于：
(1)它将人们在产品开发方面的知识系统化、规范化、工程化。人们可以不断地堆砌知识工程阶段性成果— —成功替代脑力劳动，进一步解放人类的生产力。
(2)它影响了企业的生产和管理模式(无图纸生产)，提高了竞争能力(软盘、u盘、硬盘、光盘成为财富载 体)——重塑当今社会的新关系。现在推广的CAD技术已经与企业信息化融为一体。
20世纪60年代，这是交互式计算机图形学发展的最重要时期。1963年MIT学者rland发表了题为“人机对话图 形通讯系统”的博士论文，首次提出了计算机图形学等术语。由他推出的二维SKETCHPAD系统，允许设计者操作 光笔和键盘，在图形显示器上进行图形的选择、定位等交互作业，对符号和图形的存储采用分层的数据结构。这 项研究为交互式计算机图形学及CAD技术奠定了基础，也标志着CAD技术的诞生。此后，出现了交互式图形显示器、 鼠标器和磁盘等硬件设备及文件系统和高级语言等软件。并陆续出现了许多商品化的CAD系统和设备。
(3)它改变了产品开发方式、工作风格，提高了开发质量——造就一代新型的产品设计师。
CAX技术被评为20世纪60年代以来十大杰出技术成就之一。国外有人指出，CAX是对20世纪的发展影响最大的 十项先进科学技术之一。美国国防部也将广义的“设计自动化”确定为国防关键技术之一。
计算机辅助教学设计
计算机辅助教学设计计算机辅助教学是指通过计算机技术和相关软件工具辅助实施教学活动。
它可以提供丰富的多媒体学习资源、个性化学习环境和灵活的学习模式，增强学生的学习兴趣和主动性。
同时，计算机辅助教学也可以减轻教师的教学负担，提高教学效果。
1.教学目标在进行计算机辅助教学设计之前，首先需要明确教学目标。
教学目标是教师设计教学活动的出发点和依据，它应当明确、具体、可衡量。
通过计算机辅助教学，我们可以设置一些具体的目标，例如提高学生的动手实践能力、培养学生的创新思维能力等。
设计教学活动时，应当将这些目标作为指导，确保教学活动能够达到预期的效果。
2.教学内容教学内容是计算机辅助教学设计的核心。
计算机辅助教学可以涵盖各个学科的教学内容，包括数学、语文、英语等。
教学内容应当结合学科特点和学生实际情况来选择和组织。
计算机辅助教学可以通过多媒体资源来展示教学内容，例如图像、视频、音频等，能够增强学生的感知和理解。
此外，还可以通过互动教学软件来提供针对性的练习和作业，帮助学生巩固所学知识。
3.学习环境计算机辅助教学设计还需要考虑学习环境的营造。
学习环境对于学生的学习效果起着重要的影响。
计算机辅助教学可以提供个性化学习环境，让学生能够根据自己的需求和兴趣进行学习。
可以通过设置学习计划、个性化推荐等方式，为学生提供有针对性的学习资源。
同时，学习环境也应当注重互动和合作，可以通过在线讨论、小组活动等方式，促进学生之间的交流和合作。
4.学习评价学习评价是计算机辅助教学设计的重要环节。
通过学习评价，可以了解学生的学习情况和学习效果，提供有针对性的反馈和指导。
计算机辅助教学可以通过自动化评估系统来进行学习评价，例如在线测验、考试等方式。
此外，还可以通过在线作业、项目实践等方式，综合考察学生的综合能力和创新能力。
在进行计算机辅助教学设计时，还应当注意教学资源的选择和使用。
教学资源应当具有科学性、权威性和趣味性，能够引发学生的学习兴趣和求知欲。
1.1计算机辅助教学技术
四、计算机辅助教学的不足
1、教学的硬件设备、设施和软件投入大。 2、计算机的操作使用较为复杂，需要经过一定的学习和培训。 3、进行计算机辅助教学，准备的时间较长，投入的时间、
精力较多。 4、学生与计算机的交互水平不能达到学生与教师的交互水平。 5、教师对学生通过计算机的自主学习容易失去有效的监管。 6、计算机个别化的教学减少了人际交流和集体感。 7、学生与计算机之间缺乏情感的交流。
学习的一个重要内容，就是学生必须知道学习的结果。 因而对学习者来说，教师再反馈的信息就显得特别重要， 学生要根据教师再反馈信息来确认自己的学习结果，从 而导致自身认知结构的变化，建立起新的认知意义。所 以再反馈信息的流动，就成了教学传播过程区别于一般 传播过程的最明显的特征，对计算机辅助教学有着直接 的决定意义。
从“学（Learning）”的方面强调计算机辅助教学。 CAL和CBL都可以看成是CAI的同义语。
2、 计算机在教学中的作用 计算机首先表现为一种辅助教学的工具。 计算机辅助教学既辅助“教”，也辅助“学”。 计算机的作用需要运行在其上的教学软件来体现。
3、 课件
课件（Courseware），就是内容特定的教学软件。
教师 软件与课件
计算机
(投影)幕布 学生
计算机辅助教学是一种先进的教学技术，是现代信息 技术和现代教学理论在教学中的应用。这种教学技术强 调以运行在计算机平台之上的课件为核心，而课件的设 计、制作和运用则是教学理论、教学设计、程序设计和 多媒体技术等多种技术的综合运用。
教学理论 教学设计 程序设计 多媒体技术
三、计算机辅助教学的特点和优势
1、提供丰富、直观的感性材料，减低教学的难度 2、创建教学情景，激发学习兴趣，寓教于乐 3、多媒体的有机结合，有助于知识的记忆 4、变抽象为形象，帮助认识事物运动和变化的规律 5、通过人机交互，获得教学反馈 6、因材施教，让每个学生都得到发展 7、利用计算机和网络进行探索性学习，有利于创新能力的
第十七讲计算机辅助创新技术3
3 减少信件信息丢失与增加拆信时间之间的矛盾，该矛盾中使系统
提高的技术特性为信息浪费随之使系统恶化的技术特性为时间浪费
针对技术矛盾1 得到如下的创新原理：
10#原理：预先作用；（ 1．预置必要的动作、功能；2．预先在方便 的位置安置相关设备，使其在需要的时候及时发挥作用而不浪费时 间；） 30#原理：柔性壳体或薄膜； 4#原理：增加不对称性； 在上述三个原理中，重点考虑前两个原理。
原理15 动态特性
三种应用情况：
（1）自动调节物体，使其在各动作、阶段的性能达到最佳 实例1 形状记忆合金。
实例2 自动水平装置
（2）将物体分割成既可变化，又可相互配合的数个组成部分 实例：折叠椅/笔记本电脑。 （3）使不动的物体可动或可自适应 实例：可弯曲的饮用麦管
空调鞋的设计
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原理09 预先反作用
两种情况
（1）事先施加反作用，来消除不利影响 实例：给树木刷渗透漆来阻止腐烂； 为金属件涂防锈漆……
（2）如果一个物体处于或将处于受拉伸状态，预先施加压力。
实例：冷作硬化处理，喷丸工艺……；
在灌注混凝土之前，对钢筋施加压应力。
原理10 预先作用
两种情况
（1）预置必要的动作、机能
实例3 “旋转立体停车场”的设 计
陕西农民李永利发明的“旋转立体停车场”模型(7月23日摄)。陕西省泾阳 县农民李永利在业余时间喜欢钻研科技发明，他最近发明的“旋转立体停车场” 主体为三角形网架巨轮结构，装置一半在地下，停车位可进行旋转。根据他的发 明，200个车位的“旋转立体停车场”占地仅为440平方米，而相应的平面停车 场则要6000多平方米。
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原理17
一维变多维
原理18
机械振动
原理09
原理10
预先反作用
预先作用
原理19
周期性动作
原理20
有效作用的连续性
原理05 组合、合并
内涵一 在空间上将相同或相近的物体或操作加以组合 实例1：集成电路板上的多个电子芯片
内涵二 在时间上将物体或操作连续化或并列进行 实例2：冷热水混和龙头
原理15 动态特性
三种应用情况：
（1）自动调节物体，使其在各动作、阶段的性能达到最佳 实例1 形状记忆合金。
实例2 自动水平装置
（2）将物体分割成既可变化，又可相互配合的数个组成部分 实例：折叠椅/笔记本电脑。 （3）使不动的物体可动或可自适应 实例：可弯曲的饮用麦管
空调鞋的设计
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实例：不干胶粘贴（只需揭开透明纸，即可用来粘贴）
（2）在方便的位置预先安置物体，使其在最适当的时机发挥作用而 不浪费时间 实例：在停车场安置的预付费系统。
实用创新专利：快捷信封
应用背景：文具店出售信封的样式如图，不同大小和格式的信件或文档有与
之相匹配的信封。大页面的文件可用比其稍大些的信封封装以便拆开。人们 往往认为撕开胶粘的信封是很快捷方便的，但是，这种方法通常会把信封内 的文件撕坏或使信封开口变粗糙。当然,如果借助某种辅助工具如剪刀且在剪 开前抖动信封，就可既不损坏文件又获得好看的开口。但是，该方法给用户 带来了不便。因此，设计一种能又快又可靠地拆开的信封很有必要。
原理14 曲面化，曲率增加
（1）将直线、平面用曲线或曲面代替，变立方为球形结构 • 实例：两表面间引入圆角，减少应力集中。 （2）使用滚筒、球状、螺旋状的物体 • 实例1：圆球笔和钢笔的球形笔尖，使书写流利。 • 实例2：在家具底部安装球形轮，以利移动。 （3）改直线运动为回转运动，使用离心力 • 实例：洗衣机中的离心甩干机去除衣物上的水分，替代古老的衣服拧 干的方法。
的嵌套结构
实例3：嵌套排样
嵌套排样问题
例:用嵌套原理设计新型列车车厢
内涵二 让某物体穿过另一物体的空洞 实例1：伸缩式天线
实例2：滑行门/拉门
原理08 质量补偿
两种情况
（1）将某一物体与另一能提供升力的物体组合，以补偿其重量实例：用氢气球悬挂广告幅
（2）通过环境（利用空气动力、流体动力、
浮力等）的相互作用实现重量补偿。
原理09 预先反作用
两种情况
（1）事先施加反作用，来消除不利影响 实例：给树木刷渗透漆来阻止腐烂； 为金属件涂防锈漆……
（2）如果一个物体处于或将处于受拉伸状态，预先施加压力。
实例：冷作硬化处理，喷丸工艺……；
在灌注混凝土之前，对钢筋施加压应力。
原理10 预先作用
两种情况
（1）预置必要的动作、机能
实例3 “旋转立体停车场”的设 计
陕西农民李永利发明的“旋转立体停车场”模型(7月23日摄)。陕西省泾阳 县农民李永利在业余时间喜欢钻研科技发明，他最近发明的“旋转立体停车场” 主体为三角形网架巨轮结构，装置一半在地下，停车位可进行旋转。根据他的发 明，200个车位的“旋转立体停车场”占地仅为440平方米，而相应的平面停车 场则要6000多平方米。
原理06 多用性
内涵 物体具有复合功能以替代其它物体的功能 实例1：牙刷的把柄内装牙膏 实例2：门铃和烟气报警器组合
组合牙刷
组合门铃
实例3：水陆两栖坦克
中国63A型水陆两栖坦克
实例4：水陆两栖车
原理07 嵌套
内涵一 把一个物体嵌入第二个物体，然后将这两个物体再 嵌入第三个物体……
实例1：俄罗斯嵌套娃娃 实例2：计算机文档管理中文件夹
问题描述：怎样用最少的时间安全快捷地取出信封内的文件或
资料。
有何经济效益和社会效益：新的设计方案使拆信简单方便，
为用户节约了时间，在不损坏文件的同时获得美观的信封开口。
运用技术矛盾解决矩阵分析该问题可得到如下技术矛盾： 1 节约拆信时间与降低拆信的可靠性之间的矛盾，该矛盾中使系统
提高的技术特性为时间浪费随之使系统恶化的技术特性为可靠性；
原理11 预先防范
（1）采用事先准备好的应急措施，补偿物体相对较低的可靠 性
实例1：显影剂可依据胶卷底片上的磁性条来弥补曝光不足。
实例2：降落伞的备用伞包。 实例3：应急楼梯/防火通道。 实例4：汽车安全气囊
应急楼梯/防火通道
备用降落伞
原理12 等势
内涵:在势场内避免位置的改变，如：在重力场中，改变物体的
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第六章 计算机辅助创新技术
第三节 40个创造原理（5～15）
原理01 原理02 原理03 原理04 原理05 原理06 原理07 原理08
分离、分割 抽取 局部质量 增加不对称性 组合、合并 多用性 嵌套 质量补偿
原理11 原理12 原理13 原理14 原理15
原理16
事先防范 等势 逆向思维 曲面化，曲率增加 动态特性
２ 改善拆信的可靠性与恶化拆信方便性之间的矛盾，该矛盾中使系 统增强的技术特性为可靠性而随之使系统削弱的技术特性为操作性；
3 减少信件信息丢失与增加拆信时间之间的矛盾，该矛盾中使系统
提高的技术特性为信息浪费随之使系统恶化的技术特性为时间浪费
针对技术矛盾1 得到如下的创新原理：
10#原理：预先作用；（ 1．预置必要的动作、功能；2．预先在方便 的位置安置相关设备，使其在需要的时候及时发挥作用而不浪费时 间；） 30#原理：柔性壳体或薄膜； 4#原理：增加不对称性； 在上述三个原理中，重点考虑前两个原理。
工作状况，以减少物体提升或下降的需要。
实例1：工厂中的自动送料小车
实例2：巴拿马运河水闸
实例3：方便轮椅通行的斜坡
原理13 逆向思维
两种情况：
（1）相反的动作替代要求 指定的动作 实例：采用将内层物体冷 冻的方法使两个套紧的物体分 离，而不是加热外层物体。 (2）把物体（或者过程） 倒过来 实例：通过把杯子倒置从下 边喷入水来进行清洗。 （3）让物体可动部分不动，不动部分可动 实例1：加工中心中变工具旋转为工件旋转。 实例2：健身器材中的跑步机。