“重组组合法”教学案例
福建省厦门第一中学 黄建通
教学目的
1.了解“重组组合”的目的和意义。
2.学会用“重组组合”的方法进行创新。
3.用适量的范例来加深学生对重组组合法的理解。
4.用师生对话的形式进行发散和收敛思维训练。培养学生的创造思维能力和掌握该发明技法。
教学重点 如何形式的变换产生积极的效果。
教学难点 如何选择重组组合的对象和重组的方式。
教学过程
一、 引入课题
战国时期，田忌常与齐王赛马，因马种略差，屡战屡败。孙膑给田忌出了个主意：第一盘先以下等马对齐王的上等马，第二盘以上等马对齐王的中等马，第三盘以中等马对齐王的下等马。结果，田忌以2：1获胜。同样是这几匹马，只是调换一下顺序，便把劣势变为优势。
世界上的事物都是由若干要素构成的，这些要素之间的有序结合，是实现事物整体功能的必要条件。人们囿于有限的实践，往往习惯于原有的模式，似乎只有自己熟知的结构才是合理的。如果我们有目的地调整事物中结构要素的次序进行重新组合，也许会出现意料不到的效果。
本节课将要学习组合创新技法中的第三种类型——重组组合法
板书：重组组合法
二、范例介绍
【例1】 旱冰鞋
旱冰鞋的发明构思是从冰鞋那里得到启示的。18世纪中叶，一位名叫莫林的比利时乐器制造商在鞋底安装一排按直线排列的轮子。他穿上这双鞋在伦敦的一个化妆舞会上进行表演。他在地板上一边滑行一边拉着小提琴。令客人和他自己吃惊的是，这双旱冰鞋不但转不了弯还停不下来，直到他撞到大厅墙上的一面镜子，不仅撞碎了镜子和小提琴，自己也受了重伤。在此后的50年里，再没有人提起旱冰鞋。
1822年，一位英国人设计了一种带协调轮的旱冰鞋，它的特点是，在串列的4个轮子中，前后两个轮子为协调轮，滑行时能灵活地转动方向。尽管如此，旱冰运动仍然没有流行起来。
1863年，美国发明家J·普林普顿把直线排列的4个轮子改为前后两套并列轮，这种“筒式旱冰鞋”滑行平稳，并能通过倾斜身体实现转弯，任何方向都转动自如。这种旱冰鞋的出现，使滑旱冰变得既容易又安全，滑行起来也更有趣。因此，滑旱冰和旱冰曲棍球成了当时社会上最时髦的运动。
后来，人们对旱冰鞋进行多次改进，但“筒式旱冰鞋”的基本设计始终没有变化。
【例2】 打字机的键盘
第一台实用的英文打字机是美国人克里斯托夫·肖尔斯于1868年发明的。原先，肖尔斯把26个英文字母按顺序排列在键盘上，第1排的字母为“ABCDEFG”，当打字速度稍快时，金属连杆间发生严重干扰，卡键的现象频繁出现。为了让打字机有条不紊地连续工作，他有意拉大常用字母之间的距离，让手指移动过程的时间尽量延长，经调整后，卡键的现象基本上消失了。这种第一行字母为“QWERTYUIOP”的排列方式，一直沿用至今，包括现代计算机的键盘在内。
“QWERTYUIOP”键盘字母排列方式是当初为了克服机构障碍而设计的，而计算机键盘根本不存在卡键子的问题，因此，我们有必要探讨这种排列方式的合理性。在10个最常用的英文字母中，就有8个离规定的手指位置太远，据统计，1个熟练的打字员，在8小时内手指移动的距离竟达25.7千米。另外，键盘上需要用左手打入的常用字母也排放过多，除“左撇子”外，绝大部分人操作起来挺别扭。难怪有人说：“从数字分析的角度上讲，字母的任何一种偶然排列，都会比现在的这种布局要好得多。”
美国华盛顿大学的德沃拉克博士提出了一种新的字母排列方式，经测试输入速度比“QWERTYUIOP”键盘快字母排列方式的输入速度35%以上。然而，对全球几千万习惯使用“老键盘”的人而言，推行这种新的方式非常困难，任何人都无力回天。
【例3】 魔方
２０世纪８０年代初，魔方的浪潮席卷全球，从5岁的稚童到皓首的数学大师，都为解开魔方难题而废寝忘食。小小的魔方发明者鲁比克的知名度甚至超过了联合国秘书长。
鲁比克在匈牙利一所工艺美术学院任教，他对空间概念和几何形体有特殊的偏爱，他本来只是想设计一种能使木块独立运动而又不分开的结构，没料到自己无法将扭动后的魔方复原，甚至不知道这个问题是否有解。他计算了一下，如果随机扭动魔方，以每3秒转动一次的速度，全人类要用300年的时间才能使魔方复原。经过1个多月的闭门深思，鲁比克终于找到一种先对齐角位的解法和另一种先对齐顶排再对齐面的解法，一般只需转动80~120次即可使魔方复原。
魔方不单纯是一种智力玩具，它还引起了数学家和物理学家的兴趣。英国的数学家用群论规则指导，在计算机辅助下算出复原的最少步骤为52步；美国南加州大学的物理学家用魔方作为描述基本粒子特性的模型，以一个立方体的顺时针转动代表夸克，逆时针转动代表反夸克。
【例4】 “前掠”机翼和“鸭式布局”的飞机
二战结束前，飞机的机翼都是平直的。德国人在风洞试验中发现，飞机在较高速飞行时，机翼后掠阻力较小。盟军在战后接收的资料中获得了试验数据，并迅速应用在新型飞机上。现有飞机的机翼基本上采用后掠机翼。
然而，后掠机翼有一个无法弥补的缺陷：由于机翼在负荷下的弹性变形，在俯冲拉起时会出现突然上仰的现象。为此，有人设想把“后掠”反过来变为“前掠”，试验表明，前掠机翼不仅基本上克服上仰现象，还能提高机动性、防止尾旋、有较好的低速操纵性及在音速附近阻力较小的优点。不过，前掠机翼有一个“气动发散”的问题，直到高级复合材料出现后，这个问题才得以解决。
垂直翼历来都是装在飞机的尾部，因为只有安置在重心的后面，才能提供稳定的力矩，垂直翼保证横向的稳定和操纵。
水平翼的布局则经历了几番周折。莱特兄弟发明的飞机是把水平翼安置在机翼的前面，这种配置被称为“鸭式布局”。后来，人们把它移至尾部，因为尾部离重心最远，力臂最大，况且能与垂直尾翼形成一个整体，结构上也比较轻巧。但是，水平尾翼在大部分飞行过程中产生的是负升力，尤其在起飞和着陆时，这个向下的力就更大，实际上就等于人为地增加了飞机的重量，对于斤斤计较飞机重量的设计师来说，他们决不会满意这种结果。于是，人们把目光再次投向“鸭式布局”。虽然“鸭式布局”会增加一点结构重量，但是水平翼和机翼在飞行中都产生升力，升力的增值足以抵消增加的结构重量。“鸭式布局”不仅能减少飞行阻力，而且前置的水平翼产生的气流对机翼形成有利的干扰，具有不易失速的特点，飞机的安全性得到进一步提高。
上图是一种前掠机翼、鸭式布局的先进技术验证机，于1984年12月进行首次试飞，测试结果表明：与常规同级战斗机相比，在跨音速范围内，升力增加了30%～40%，阻力减少了10%～20%。
三、阐明定义
通过上述实例的介绍，我们对重组组合法有了初步的了解。那么，什么叫重组组合法呢？
板书：定义---在不改变事物本质的前提下，通过结构或形式上的变化而产生新功能、新意义、新价值的方法，称为重组组合法。
四、描述操作步骤：
板书：
解剖事物的组成部分 |
↓
分析各部分的独立功能 |
↓
找出原结构或形式的不足 |
↓
确定重组方案 |
↓
验证重组效果 |
五、师生讨论
生：听了打字机键盘的例子后，我的心情非常沉重，为什么好的东西不一定受欢迎？德沃拉克博士的心血只好付诸东流吗？难道我们就这样任凭“QWERTYUIOP”键盘继续占领计算机的输入领域？我们应该从中吸取哪些教训？
师：俗话说“习惯成自然”，世界上有些事情一旦形成气候，尽管它不科学和不合理，但要改变它往往十分困难。德沃拉克博士的努力起码让我们认识到改革键盘的必要性。倘若我们再去研制键盘布局，显然还会重蹈覆辙，只有从取消键盘的思路上着手，才是最根本的办法。值得欣慰的是，手写输入和语音输入的方法已经有了一个良好的开端。至于教训，那就是人们在产品的设计时，应注意结构布局应注意科学合理，形态上要讲究标准化和国际化，以免给后人留下遗憾。比如，电视的制式至今仍是多种制式并存，自来水管、显像管、集装箱的长度单位一直沿用英制标准，谁也不知道哪年哪月才能结束这种局面。
生：我们对重组的事物了解不多，能否再举些例子？
师：积木、七巧板、九连环、变形金刚都是经过重组后，出现不同造型的智力玩具；组合家具可以依照居室的功能要求和主人的意愿随意拆卸和拼凑；
同样是碳原子，以不同的晶体构造便可形成性质迥异的物质──坚硬的绝缘体金钢石和脆弱的导体石墨；如果把机床的床身、床头箱、溜板箱、尾架等部件进行模块化生产，使用者根据加工的需要，迅速将模块进行组装，可获得形态和功能各异的机床。
六、课堂小结
1．重组组合就是把原事物分解成若干组成部分后，再用新的创意重新组合起来，通过改变各组成部分的相互关系，达到事物在功能或性能上发生有利的变化的目的。
2．重组组合的切入点是：在结构上打主意，从调整位置或顺序方面做文章。
3．重组组合是在一件事物上进行内部调整，一般不增加新的东西。
4．重组组合是一种创造性较强的技法，它简单易行，行之有效，效果往往会出乎意料。
七、布置作业（参考答案）
1.以前的电冰箱基本上都是冷冻室在上冷藏室在下，现在有部分的电冰箱采用相反的布局，请问这种调整有何意义？（便于取出冷藏室内的物品，冷冻室化霜时不会对冷藏室造成污染）
2.火柴盒上的药皮容易受潮，能否在结构上进行轻微调整后，即可克服这个缺点？（将火柴盒的药皮贴在火柴盒的内侧）
3.地毯上常走的地方磨损较为严重，有何方法能使地毯受损均匀，延长使用周期？（将地毯分割成若干块，定期相互调换）
4.常规的蜡烛是蜡包布芯，若用布芯包蜡的方式，会产生什么效果？（会更亮、不易被吹灭且不流泪 ）
5.重组组合的着眼点是什么？
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