作者：周苏
出版社：中国铁道出版社有限公司
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技术创新方法试读：
前言
PREFACE研究表明，创新的先锋团队——众多的诺贝尔奖获得者的成功途径，一是科学发现，二是科学仪器，三是科学方法。其中，科学方法的核心是创新方法，几乎有1/3的诺贝尔奖获得者是靠科学的创新方法实现了研究的突破性进展，可见创新方法对于科学研究的极端重要性。大众创业，万众创新，建设创新型国家，其核心是要增强自主创新的能力，创新引领，方法先行。
1946年，苏联科学家根里奇·阿奇舒勒（1926—1998）开始了“发明问题解决理论”（TRIZ）的研究工作。在以后的数十年中，这位发明家投入毕生精力，致力于创新研究。在他的带领下，苏联的几十家学校、研究部门和企业，组成专门机构。他们先后分析了世界的几十万份发明专利，总结出技术进化所遵循的普遍规律，以及解决各种技术矛盾和物理矛盾时采用的创新法则，创建了一种由解决技术问题、实现技术创新的各种方法组成的理论体系——TRIZ。
2008年，为了落实国家中长期科技规划纲要，从源头推进我国的自主创新，国家科学技术部、发展与改革委员会、教育部、科学技术协会四部委联合颁布了《关于加强创新方法工作的若干意见》，文件中明确指出要“推进TRIZ等国际先进技术创新方法与中国本土需求融合……特别是推动TRIZ中成熟方法的培训……”。
实践表明，运用TRIZ创新，能够帮助我们突破思维定式，从不同角度分析问题，进行理性的逻辑思维，揭示问题的本质，确定问题的进一步探索方向，能根据技术进化规律，预测未来发展趋势，最终抓住机会来彻底解决问题，并开发出富有竞争力的创新产品。
本教材的内容包括了创新思维的基本方法、TRIZ原理和工具的介绍和运用TRIZ原理来解决创新问题的一些实践案例，各章均精心安排了课前阅读“脑洞大开”和课后实践“实验与思考”等环节，实操性强，把创新思维、管理创新方法的概念、理论和技术知识融入实践中，帮助读者加深对学习的认识和理解。作为学习辅助，书后附录提供了部分习题与实验问题的参考答案。
本书是2016年杭州市高校精品课程项目“创新思维与创新方法”建设成果之一，2017年Google高职大学生创新创业教育项目“以技术创新为导向的提升创新创业教育示范课程”建设成果之一。本书的编写工作得到2016IM020600（国家科技部项目）新疆特色产业创新方法推广与应用示范的支持，得到新疆维吾尔自治区科学技术厅、浙江安防职业技术学院、浙江商业职业技术学院、浙江大学城市学院等单位的支持。
本书由周苏任主编，杨大鹏任副主编，参加编写的还有张丽娜、许鸿飞、王文、吴林华、张健、蔡锦锦等。
欢迎教师索取与本书配套的丰富教学资料并进行交流。E-mail：zhousu@qq.com，QQ：81505050，个人博客：http://blog.sina.com.cn/zhousu58。周苏2018年1月于杭州西湖课程教学进度表注：表中“学时”安排的“+1”，建议用于40条发明原理的教学活动。第1章TRIZ基础【脑洞大开】习主席新年贺词中提到的科技创新和重大工程建设十大捷报
科技创新、重大工程建设捷报频传。“慧眼”卫星遨游太空，C919大型客机飞上蓝天，量子计算机研制成功，海水稻进行测产，首艘国产航母下水，“海翼”号深海滑翔机完成深海观测，首次海域可燃冰试采成功，洋山四期自动化码头正式开港，港珠澳大桥主体工程全线贯通，复兴号奔驰在祖国广袤的大地上……我为中国人民迸发出来的创造伟力喝彩！——国家主席习近平《二〇一八年新年贺词》
1.“慧眼”卫星遨游太空
2017年6月15日11时0分，我国在酒泉卫星发射中心采用长征四号乙运载火箭，成功发射首颗X射线空间天文卫星“慧眼”（见图1-1）。硬X射线调制望远镜卫星（Hard X-ray Modulation Telescope，HXMT）是我国首颗大型X射线天文卫星，由国家民用航天科研和中国科学院空间科学先导专项共同支持，是空间科学先导专项发射的第四颗卫星。图1-1 “慧眼”卫星
发射不久，就参与了引力波“大事件”。
2017年8月17日，LIGO和Virgo（欧洲“室女座”引力波探测器）共同探测到的不同以往的新型引力波事件GW 170817，是人类首次直接探测到由两颗中子星并合产生的引力波。我国第一颗空间X射线天文卫星——慧眼HXMT望远镜——在引力波事件发生时成功监测了引力波源所在的天区，对其伽马射线电磁对应体（简称引力波闪）在高能区（MeV，百万电子伏）的辐射性质给出了严格的限制，为全面理解该引力波事件和引力波闪的物理机制做出了重要贡献。
2.C919大型客机飞上蓝天
2017年5月5日，在4000多名现场观众的欢呼声中和全世界目光的注视下，C919一飞冲天（见图1-2）。这是我国完全按照国际主流适航标准和国际主流市场运营标准研制的干线飞机。12月17日，第二架C919大型客机在上海浦东国际机场完成首次飞行。
2017年，中国大飞机“三兄弟”运20、C919、AG600终于蓝天聚首，中国这个航空大国正向航空强国全力冲刺。
3.量子计算机研制成功
2017年5月3日，中国科学院在上海召开新闻发布会，宣布世界首台超越早期经典计算机的光量子计算机（见图1-3）在我国诞生。中科院院士、中国科学技术大学教授潘建伟及其同事陆朝阳、朱晓波等，联合浙江大学教授王浩华研究组，近期在基于光子和超导体系的量子计算机研究方面取得了系列突破性进展。图1-2 C919大型客机图1-3 光量子计算机
量子计算利用量子相干叠加原理，在理论上具有超快的并行计算和模拟能力，计算能力随可操纵的粒子数呈指数增长，可为经典计算机无法解决的大规模计算难题提供有效解决方案。一台操纵50个微观粒子的量子计算机，对特定问题的处理能力可超过超级计算机。
4.海水稻进行测产
我国的耕地面积有限，守住18亿亩（1亩=1/15公顷）耕地红线的压力很大。但是，我国的盐碱地却很多，总数约15亿亩，其中有约3亿亩具有改造的潜力。“海水稻”是在现有自然存活的高耐盐碱性野生稻的基础上，利用遗传工程技术，选育出可供产业化推广的、利用初级淡化（1％盐度）海水灌溉条件下、能正常生长且产量能达到200kg/亩的水稻品种（见图1-4）。
2017年9月28日，由青岛海水稻研究发展中心研发的高抗盐碱特性的优质水稻材料通过测产，理论产量最高达到620kg/亩，远超预期产量。海水稻的种植成功为保障粮食安全，加速农业产业升级具有积极意义。
5.首艘国产航母下水
2017年4月26日，由我国自行研制的002型航空母舰（见图1-5）下水仪式在中国船舶重工集团公司大连造船厂举行，标志着我国自主设计建造航空母舰取得重大阶段性成果。图1-4 海水稻图1-5 首艘国产航母
6.“海翼”号深海滑翔机完成深海观测“海翼”（Sea-wing，见图1-6）是中国科学院沈阳自动化研究所的科学家自主研制的系列水下滑翔机的统称，包括工作深度300m级、1000m级和7000m级等多种不同作业深度的水下滑翔机，分别承担不同的任务，拥有完全自主知识产权。2017年3月，马里亚纳海沟传来喜讯：“海翼”号7000m级水下滑翔机成功下潜至6329m，打破了由美国科学家创造的水下滑翔机最大下潜深度6003m的世界纪录。
7.首次海域可燃冰试采成功
2017年5月18日，由国土资源部中国地质调查局组织实施的我国海域天然气水合物（可燃冰）试采在南海神狐海域实现连续8天稳定产气。我国由此在该领域走在了世界前列，这也是我国海域可燃冰首次试采成功（见图1-7）。图1-6 “海翼”号深海滑翔机图1-7 首次海域可燃冰试采成功
8.洋山四期自动化码头正式开港
2017年12月10日，上海洋山深水港四期自动化码头（见图1-8）33箱区，第121号桥吊轻舒巨臂，稳稳抓起第一个集装箱，标志着全世界规模最大、技术最先进的全自动化码头开港试生产。
港区内车流不息，作业繁忙，却不见一人，所有操作都在中控塔内远程操控完成。不远处，高高耸立、形似火炬的中控塔十分显眼，是整个港区的标志性建筑和运行中枢。中国港口在运营模式和技术应用上实现里程碑式跨越升级。
9.港珠澳大桥主体工程全线贯通
2017年12月31日18时38分，港珠澳大桥东人工岛上，建设者代表共同点亮大桥全线灯光，绚丽的烟花竞相绽放，以璀璨的新面貌迎接2018年的到来。
被英国《卫报》称为“现代世界七大奇迹”之一的港珠澳大桥（见图1-9），全长55 km，自2012年7月施工单位进场以来，建设历时4年多，产生了一系列新技术、新材料和新装备，在多个领域填补了空白，形成了走向世界的“中国标准”，是中国造桥技术的最高体现。图1-8 洋山四期自动化码头图1-9 港珠澳大桥
10.复兴号奔驰在祖国广袤的大地上
2017年6月26日，中国标准动车组“复兴号”（见图1-10）在京沪高铁正式首发。“复兴号”基于中国自主研发的高速动车组设计制造平台，是中国具有完全知识产权的新一代高速列车。自2012年以来，在铁总主导下，中国铁道科学研究院技术牵头，集合中车集团及相关企业的力量，开展“复兴号”设计研制工作。5年间，高速动车组实现了由中国制造到中国创造的跨越。图1-10 “复兴号”动车组
九层之台，起于累土。党的十九大描绘了我国发展今后30多年的美好蓝图。新的一年里，让我们一步一个脚印，不驰于空想、不骛于虚声，踏踏实实干好工作，为创新型国家建设和人民生活的幸福美满继续加油干！（资料来源：锐科技，成都科普，2018-1-2）
阅读上文，请思考、分析并简单记录：（1）文中习主席提到的十大科技创新和重大工程建设项目，哪一项与你的专业或者生活最为接近？
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___________________________________________________________（2）除了文中所提及的十大科技创新与重大工程建设项目，你还知道哪些令人瞩目的成果？
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___________________________________________________________（3）为中国人民迸发出来的创造伟力喝彩，对你有什么启发？
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___________________________________________________________（4）请简单记述你所知道的上一周发生的国际、国内或者身边的大事。
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___________________________________________________________1.1发明与创新的基本概念
人类发展及科学技术进步中的每一次重大跨越和重要发现都与思维创新、方法创新、工具创新密切相关。离开了“创新”，人类社会不可能向前迈进，科学技术也不可能有实质性的进步。可以说，“创新”已经成为现代社会发展与进步的基本动力。
创新理论和实践都证明，创新是人人都具有的一种潜在的能力，而且这种能力可以通过一定的学习和训练得到激发和提升。同时，创新是有规律可循的。人类在解决工程技术问题时所采用的方法都是有规律的，这些规律可以通过总结和学习加以掌握和应用。
创新思维是在客观需要的推动下，以新获得的信息和已存储的知识为基础，综合运用各种思维形态或思维方式，克服思维定式，经过对各种信息、知识的匹配、组合，或者从中选出解决问题的最优方案，或者系统地加以综合，或者借助于类比、直觉等创造出新办法、新概念、新形象、新观点，从而使认识或实践取得突破性进展的思维活动。创新思维具有新颖性、灵活性、探索性、能动性和综合性等特点，是创新过程中最基本的手段。对创新思维的内在规律加以总结归纳，形成有助于方案产生或问题解决的策略，即为创新思维技法。在具体的问题解决和方案生成中，对创新思维技法的系统化应用以及辅助工具的支持也是非常关键的。
相对于传统的创新方法，比如试错法、头脑风暴法等，作为一套成熟的理论和方法体系，TRIZ（发明问题解决理论）具有鲜明的特点和优势。实践证明，运用TRIZ理论，可大大加快人们创造发明的进程，帮助人们系统地分析问题情境，突破思维障碍，快速发现问题本质或矛盾，确定问题探索方向。1.1.1 科学与技术
在生活中，人们习惯于把科学和技术联系在一起，统称为“科学技术”或“科技”。实际上，科学和技术既有密切联系，又有重要区别。
科学要解决的问题，是发现自然界中确凿的事实和现象之间的关系，并建立理论把这些事实和现象联系起来；技术的任务则是将科学的成果应用到实际问题的解决中去。科学主要是与未知的领域打交道，其进展程度（特别是重大突破）往往是难以预料的；技术是在相对成熟的领域内工作，可以作比较准确的规划。
因此，对科学和技术的定义是：
科学（science）：如实反映客观事物固有规律的系统知识。
技术（technique）：完成复杂的或科学的任务的系统步骤。1.1.2 发现与发明
发现（discovery）是对客观世界中前所未知的事物、现象及其规律的一种认识活动。发现的结果本身是客观存在的，是不以人的意志为转移的。无论人类是否对其有所认识，它都按照自身的规律存在于客观世界中，对这种结果进行认识的活动过程就是发现。例如，物质的本质、现象、规律等，不管是否为人类所发现，它们本来就是客观存在的，后来被人类认识到了，就是发现。科学研究的目的就是发现这些客观存在的、还没有被人类认识到的规律。发现也称科学发现（scientific discovery）。
发明（invention）是指具有独创性、新颖性、实用性和时间性的技术成果。通常指人类通过技术研究而得到的前所未有的成果。这种成果包括有形的物品和无形的方法等，在被发明出来之前客观上是不存在的。发明最注重的是独创性和时间性（或称首创性）。《中华人民共和国专利法》中指出：发明是指对产品、方法或者其改进所提出的新的技术方案。
简单说，发现和发明的区别主要是：发现是认识世界，发明是改造世界。发现要回答“是什么”“为什么”“能不能”等问题，属于非物质形态财富；发明要回答“做什么”“怎么做”“做出来有什么用”等问题，是知识的物化，能够直接创造物质财富。科学发现在我国是不授予专利权的。对于那些具有新颖性、创造性和实用性的发明，发明人可以申请专利，利用法律的手段来保护自己的合法权益。
我国是一个文明古国，我们的祖先创造了灿烂的科技文化，在16世纪以前长达数千年的历史时期内，中国人一直走在世界科技创新前列，为推动人类进步与发展做出了不可磨灭的贡献。
如表1-1所示，从公元前4000年算起，截至明代末年，世界科技史上的100项重大发明的前27项中，有18项是属于中国人的发明。16世纪前的中国，可谓发明大国。四大发明曾在世界文明史上写下了一页页光辉的篇章；其他众多的发明，也在同期名列世界前茅，富有创新精神的中华民族对人类的科技、经济发展起着巨大的推动作用。在过去千百万年的历史长河里，我们的祖先已经用自己智慧的头脑和勤劳的双手，在不知何谓创新方法学的情况下，做出了众多的发明。表1-1 古代世界科技史上100项重大发明的前27项续表1.1.3 创造与创新“创造”一词是对创造活动的综合概括。在《现代汉语词典》里，“创造”被解释为“想出新方法、建立新理论、做出新的成绩或东西”。
可以说，创造是人们应用已知信息，产生某种新颖而独特的、具有社会价值或个人价值的产品的过程，是“破旧立新”，打破世界上已有的，创立世界上尚未有的精神和物质的活动。作为创造的成果，这种产品可以是新概念、新设想、新理论，也可以指新技术、新工艺、新产品。其特征是新颖、独特，具有一定的社会价值或个人价值。
创新是从英文innovate（动词）或innovation（名词）翻译过来的。根据《韦氏词典》所下的定义，创新的含义为：引进新概念、新东西和革新。
创新理论（innovation theory）最早是由奥地利经济学家熊彼特（J.A.Schumpeter，1883—1950）于1912年在其成名作《经济发展理论》一书中首先提出来的。此书在1934年译成英文时，使用了“创新”（innovation）一词。
按照熊彼特的观点，“创新”是指新技术、新发明在生产中的首次应用，是指建立一种新的生产函数或供应函数，是在生产体系中引进一种生产要素和生产条件的新组合。他认为创新包括5个方面的内容：（1）引入新产品或提供产品的新质量。（2）开辟新的市场。（3）获得一种原料或半成品的新的供给来源。（4）采用新的生产方法（主要是工艺）。（5）实现新的组织形式。
创新是对已有创造成果的改进、完善和应用，是建立在已有创造成果基础上的再创造。这说明已有创造成果既可以是有形的事物（如各种产品），也可以是无形的事物（如理论、技术、工艺、机构等）。
从一般意义上讲，创造强调的是新颖性和独特性，而创新强调的则是创造的某种具体实现。创造与创新在概念上的差别体现在以下几个方面：（1）创造比较强调过程，创新比较强调结果。（2）在程度上，创造强调“首创”“第一”“无中生有”“破旧立新”，主要是指自身的新颖性，不一定有比较对象；创新是建立在已经创造出的既有概念、想法、做法等基础之上，其着眼点在于“由旧到新”，强调与原有事物相比较。因此，在某种程度上，可以将创新看作创造的目的和结果。
例如，黑白电视机的出现可以看作一种创造成果的诞生，因为在其出现之前没有电视机；而彩色电视机的出现是一种创新，因为它是在黑白电视机的基础上，利用其他科学理论和技术对其进行改造而出现的一种全新的产品。再如，蒸汽机的出现是一种创造，而将它应用到其他工业领域，则是创新。（3）在思维过程上，创造应是独到的，其思维始终站在新异的尖端；创新则是在已经创造出的既有概念、想法和做法等的基础上，将别人的原始想法组织起来，应用到自己的思维活动中去。（4）在范畴上，创造一般指的是知识、概念、理论、艺术等；创新一般指的是技术、方法、产品等。（5）在目的上，创造注重的是科学性和探索性；创新更注重经济性和社会性。1.1.4 典型问题与非典型问题
很多哲学家认为，只有在面对问题的时候，人才会开始思考，且思考过程是以问题为起点开始进行的。当看到了问题的现状，并设想了问题被解决后应该实现什么样的状态时，就会想办法改变问题的现状。在解决问题的过程中，如果用那些已经熟知的典型解决方法无法解决问题，那么人们就会考虑采用非典型方法来解决问题。
典型解决方法是指可以在学校中通过专业教育学习到的处理问题的常规方法。对于专业人士来说，典型解决方法是他们工作中经常用到的、非常熟悉的那些解决本领域问题的方法。现有的典型解决方法绝大多数都是前人通过试错法得到的。专业人士通过学习，掌握了这些方法后，就可以将它们作为“拿来就用”的工具。
典型问题是指那些用典型解决方法可以解决的问题。
非典型问题是指那些用典型解决方法无法解决的问题。
对于一个非典型问题来说，既然无法使用典型解决方法来解决，那么就需要使用具有创造性、创新性的思维方法来找到一种解决方法。这种能够解决非典型问题的，具有创造性、创新性的解决方法对于该问题来说就是一种非典型方法。因此，非典型问题也被称为创新问题。
在面对非典型问题的时候，人们往往会先用各种典型解决方法来尝试着求解。当各种典型解决方法都无能为力的时候，专业人士就会绞尽脑汁去寻找某种非典型解决方法。一旦所找到的这种非典型方法解决了该非典型问题，这种方法很快就会在该领域的专业人士之间传播开来，并最终成为该领域中的一种典型解决方法。这里的“绞尽脑汁”就是人们在面对非典型问题时的真实写照。在绞尽脑汁的过程中，有人通过“顿悟”找到了非典型方法；有人通过四处寻找，从其他领域找到了可以解决本领域中非典型问题的方法（这种方法在其原有领域中可能已经是典型方法了，但是对于这个领域来说就是一种非典型方法，因此，一种方法是典型方法还是非典型方法是相对的）。
为了找到解决非典型问题的方法，处于同一时代的两位先驱者从不同的角度提出了不同的理论。以美国的亚历山大·奥斯本为代表的学者们开创了“创造学”这种以创造主体的心理活动为主的创新方法体系；1946年，苏联军方技术人员、发明家根里奇·阿奇舒勒（Genrich S.Altshuller，见图1-11）和他的同事们，通过对来自于世界各国的上百万个专利（其中包含20多万个高水平发明专利）的研究、分析和总结，发现了隐藏在专利背后的规律，提出了一套体系相对完整的“发明问题解决理论”，为TRIZ的问世和发展奠定了基础。图1-11 发明家阿奇舒勒1.2TRIZ起源与发展
TRIZ源于“发明问题解决理论”的俄文单词的首字母缩写，只是一个特殊缩略语，它既不是俄文，也不是英文，其实际含义就是“发明问题解决理论”。“发明问题解决理论”有两个基本的含义，表面的意思是强调解决实际问题，特别是发明问题；隐含的意思是由解决发明问题而最终实现（技术和管理）创新。1.2.1 经典TRIZ的理论体系结构
在分析专利的过程中，阿奇舒勒从不同的角度，利用不同的分析方法对这些专利进行分析，总结出了多种规律。如果按照抽象程度由高到低进行划分，可以将经典TRIZ中的这些规律表示为一个金字塔结构（见图1-12）。图1-12 经典TRIZ中的规律
随着TRIZ的不断发展和完善，TRIZ不仅增加了很多新发现的规律和方法，还从其他学科和领域中引入了很多新的内容，从而极大地丰富和完善了TRIZ的理论体系（见图1-13）。
从图1-13中可以看出：（1）TRIZ的理论基础是自然科学、系统科学和思维科学。图1-13 经典TRIZ的理论体系结构（2）TRIZ的哲学范畴是辩证法和认识论。（3）TRIZ来源于对海量专利的分析和总结。（4）TRIZ的理论核心是技术系统进化法则。（5）TRIZ的基本概念是进化、理想度、系统、功能、矛盾和资源。（6）TRIZ的创新问题分析工具包括：创新思维技法、功能分析、组件分析、因果分析、物场分析和资源分析等。（7）TRIZ的创新问题求解工具包括：发明原理、分离方法、科学效应库、标准解系统和创新思维技法。（8）TRIZ的创新问题通用求解算法是发明问题求解算法（ARIZ）。1.2.2 TRIZ的发展历程
在阿奇舒勒看来，人们在解决发明问题过程中，所遵循的科学原理和技术系统进化法则是一种客观存在。大量发明所面临的基本问题是相同的，其所需要解决的矛盾（在TRIZ中称为技术矛盾和物理矛盾），从本质上说也是相同的。同样的技术创新原理和相应的解决问题的方案，会在后来的一次次发明中被反复应用，只是被使用的技术领域不同而已。因此，将那些已有的知识进行整理和重组，形成一套系统化的理论，就可以用来指导后来者的发明和创造，这就是TRIZ（见图1-14）。
在冷战期间，TRIZ的内容并不为西方国家所掌握。直至苏联解体后，在20世纪90年代初、中期，随着部分TRIZ研究人员移居到欧、美等西方国家，TRIZ才系统地传到了西方并引起学术界和企业界的关注。特别是在TRIZ传入美国后，在密歇根州等地成立了TRIZ研究咨询机构，继续对TRIZ进行深入的研究，使TRIZ得到了更加广泛的应用和发展。图1-14 TRIZ的来源与内容
在我国学术界，少数研究专利的科技工作者和学者在20世纪80年代中期就已经初步接触TRIZ，并对其做了一定的资料翻译和技术跟踪。20世纪90年代中后期，国内部分高校开始研究和跟踪TRIZ，在一定范围内开展了持续的研究和应用工作。进入21世纪，TRIZ开始从学术界走向企业界。如今，作为一个比较实用的创新方法学，TRIZ在我国已经逐步得到企业界和科技界的青睐，也得到国家领导人的高度重视。自2007年开始，国家科学技术部和地方政府科技厅陆续展开了对TRIZ的大范围的推广与普及活动。2008年，国家科技部、发展改革委、教育部、中国科协联合发布了《关于加强创新方法工作的若干意见》，明确了创新方法工作的指导思想、工作思路、重点任务及其保障措施等。1.3发明的5个级别
在人类进化发展的历史长河中，无数的先贤利用其创造力推动了人类社会的发展。今天，当回顾历史的时候，我们往往只注意到那些给人类社会发展带来巨大影响的发明创造，例如：制陶技术为人类提供了最早的人造容器；冶炼技术为人类提供了最早的金属制品——青铜器；十进位计数法为科学的发展奠定了基础；造纸术对人类文化传播产生了广泛、久远的影响；指南针对航海产生了深远的影响；火药改变了整个世界事物的面貌和状态等。但很少有人会注意到那些对已有事物进行的修修补补式的小发明、小创造。而正是由于有了这些小发明、小创造，才有了现在所看到的各种各样功能相对完善、结构相对简单的生产工具和生活用品。所以，伟大的发明给社会的发展提供了巨大的推动力，而那些小的发明创造却是伟大发明的基础，只有在无数小发明、小创造的推动下，伟大的发明才得以出现，并逐步趋于完善。1.3.1 发明的创新水平
18世纪，为了鼓励、保护、利用发明与创新成果，以促进产业发展，各个国家纷纷制定了专利法。在阿奇舒勒开始对大量专利进行分析、研究之初，他就遇到了一个无法回避的问题：如何评价一个专利的创新水平？
一项技术成果之所以能通过专利审查，获得专利证书，必定有其独到之处。但在众多的专利当中，有的专利只是在现有技术系统的基础上进行了很小的改变，改善了现有技术系统的某个性能指标；而有的专利则是提出了一种以前根本不存在的技术系统。显然。这两种专利在创新水平上是有差别的，但是如何制定一个相对客观的标准来评价它们在创新水平上的差异呢？
从法律的角度来看，专利的定义会随着时间的变化而改变。即使在同一历史时期，不同国家对专利的定义也有所差异。专利的作用就是准确地确定一个边界，只有在这个范围之内，用法律的形式对技术领域的创新进行经济利益的保护才是有意义的。但是，从技术的角度来看，判断一个产品或一项技术是否具有创新性，其创新的程度有多高，更重要的是要识别出该产品或技术的创新的核心是什么，这个本质从来没有变过。从技术角度来说，一项创新通常表明完全或部分地克服了一个技术矛盾。克服技术系统中存在的矛盾，一直是创新的主要特征之一。1.3.2 发明级别的划分
发明的独特之处就在于解决矛盾，解决现有技术系统中存在的问题。但是在获得专利证书的专利当中，也有大量简单的、毫无意义的、类似于常规设计的专利。如何从多如牛毛的专利中将那些具有分析价值的专利找出来呢？阿奇舒勒在研究中提出了一种评价专利创新性的标准，他按照创新性的不同，将专利分为5个级别（见表1-2）。表1-2 发明的5个级别
1.第1级发明
这种发明是指在本领域范围内的正常设计，或仅对已有系统作简单改进与仿制所做的工作。这一类问题的解决，主要依靠设计人员自身掌握的常识和一般经验就可以完成，是级别最低的发明，即不是发明的发明。利用试错法解决这样的问题只通常需要进行10次以下的尝试。
例如，增加隔热材料，以减少建筑物的热量损失；将单层玻璃改为双层玻璃，以增加窗户的保温和隔音效果；用大型拖车代替普通卡车，以实现运输成本的降低。
该类发明大约占人类发明总数的32％。
2.第2级发明
这种发明是指在解决技术问题时，对现有系统某一个组件进行改进，是解决了技术矛盾的发明。这一类问题的解决，主要采用本专业内已有的理论、知识和经验，设计人员需要具备系统所在行业中不同专业的知识。解决这类问题的传统方法是折中法。这种发明能小幅度地提高现有技术系统的性能，属于小发明。利用试错法解决这样的问题通常需要进行10～100次尝试。
例如，在气焊枪上，增加一个防回火装置；把自行车设计成可折叠（见图1-15）等。
该类发明约占所有发明的45％。图1-15 可折叠自行车
3.第3级发明
这种发明是指对已有系统的若干组件进行改进。这一类问题的解决，需要运用本专业以外但是在一个学科以内的现有方法和知识（如用机械方法解决机械问题，用化学知识解决化学问题）。在发明过程中，人们必须解决系统中存在的技术矛盾，需要来自其他行业的知识。
这些是解决了物理矛盾的发明。如果系统中的一个组件彻底改变，就是很好的发明（如改变某物质的状态，由固态变成液态等）。可以用一些组合的物理效应（可能是不为人们所熟知的）来解决这类问题，解决问题的过程中也可以巧妙地利用一些人们熟知的物理效应。例如，利用电动控制系统代替机械控制系统；汽车上用自动换挡系统代替机械换挡系统；在冰箱中用单片机控制温度等。
这种发明能从根本上提升现有技术系统的性能，属于中级发明。利用试错法解决这样的问题通常需要进行100～1000次尝试。
该类发明约占所有发明的18％。
4.第4级发明
这种发明一般是在保持原有功能不变的前提下，用组合的方法构建新的技术系统，属于大发明，通常是采用全新的原理来实现系统的主要功能，属于突破性的解决方案，能够全面升级现有的技术系统。
由于新的系统不包含技术矛盾，所以给人的错觉是新技术系统在发明过程中并没有克服技术矛盾。实际上并非如此，因为在原有的技术系统——系统原型中是有技术矛盾的，这些矛盾通常是由其他科学领域中的方法来消除的，设计人员需要来自于不同科学领域的知识，需要多学科知识的交叉，主要是从科学底层的角度而不是从工程技术的角度出发，充分挖掘和利用科学知识、科学原理，来实现发明。
在解决第4级发明问题时所找到的原理通常可以用来解决属于第2级发明和第3级发明的问题。例如，内燃机替代蒸汽机，核磁共振技术代替B超和X光技术，世界上第一台内燃机的出现、集成电路的发明、充气轮胎等。
利用试错法解决这样的问题通常需要进行1000～10000次尝试。该类发明在所有发明中所占比例小于4％。
5.第5级发明
这种发明催生了全新的技术系统，推动了全球的科技进步，属于重大发明。利用试错法解决这样的问题通常需要进行10万次以上的尝试。
这里，问题的解决方法往往不在人们已知的科学范围内，是通过发现新的科学现象或新物质来建立全新的技术系统。
对于这类发明而言，首先是要发现问题，然后是探索新的科学原理来解决发明任务。本级发明中的低端发明为现代科学中许多物理问题的解决带来了希望。支撑这种发明的新知识为开发新技术提供了保证，使人们可以用更好的方法来解决现有的矛盾，使技术系统向最终理想迈进了一大步。
一般的设计人员通常没有能力解决这类问题。这一类问题的解决，主要是依据人们对自然规律或科学原理的新发现。例如，计算机、蒸汽机、激光、晶体管，以及轮子、半导体、形状记忆合金、X光透视技术、微波炉、蒸汽机、飞机等的发明。
该类发明大约占人类发明总数的1％或者更少。1.3.3 发明级别划分的意义
在5个级别的发明中，阿奇舒勒认为，第1级发明过于简单，其实谈不上创新，不具有参考价值，它只是对现有系统的改善，并没有解决技术系统中的任何矛盾；第2级和第3级发明解决了矛盾，可以看作创新；第4级发明也改善了一个技术系统，但并不是解决现有的技术问题，而是用某种新技术代替原有技术来解决问题；第5级发明是利用科学领域发现的新原理、新现象推动现有技术系统达到一个更高的水平，它对于工程技术人员来说又过于困难，也不具有参考价值。
于是，阿奇舒勒从海量专利中将属于第2级、第3级和第4级的专利挑出来，进行整理、研究、分析、归纳、提炼，最终发现了蕴藏在这些专利背后的规律。因此，利用TRIZ能帮助工程技术人员解决第1级到第4级的发明问题。而第5级的发明无法利用TRIZ来解决。阿奇舒勒曾明确表示：利用TRIZ方法可以帮助发明家将其发明的级别提高到第3级和第4级水平。
阿奇舒勒认为：如果问题中没有包含技术矛盾，那这个问题就不是发明问题，或者说不是TRIZ问题。这就是判定一个问题是不是发明问题的标准。需要注意的是，第4级发明是利用以前在本领域中没有使用过的原理来实现原有技术系统的主要功能，属于突破性的解决方法。“发明级别”对发明的水平、获得发明所需要的知识以及发明创造的难易程度等有了一个量化的概念。总体上，对“发明级别”有以下几方面的认识。（l）发明的级别越高，完成该发明时所需的知识和资源就越多，这些知识和资源所涉及的领域就越宽，搜索所用知识和资源的时间就越多，因此就要投入更多、更大的研发力量。（2）随着社会的发展、人类的进步、科技水平的提高，已有“发明级别”也会随时间的变化而不断降低。因此，原来级别较高的发明，逐渐变成人们熟悉和容易掌握的东西。而新的社会需求又不断促使人们去做更多的发明，生成更多的专利。（3）对于某种核心技术，人们按照一定的方法论对该核心技术的所有专利按照年份、发明级别和数量做出分析以后，可以描绘出该核心技术的“S曲线”。S曲线对于产品研发和技术的预测有着重要的指导意义。（4）统计表明，第1、2、3级发明占了人类发明总量的95％，这些发明仅仅是利用了人类已有的、跨专业的知识体系。由此，也可以得出一个推论，即人们所面临的95％的问题，都可以利用已有的某学科内的知识体系来解决。（5）第4、5级发明只占人类发明总量约5％，却利用了整个社会的、跨学科领域的新知识。因此，跨学科领域的知识获取是非常有意义的工作。当人们遇到技术难题时，不仅要在本专业内寻找答案，也应当向专业外拓展，寻找其他行业和学科领域已有的、更为理想的解决方案，以求获得事半功倍的效果。人们从事创新，尤其是进行重大的发明时，就要充分挖掘和利用专业外的资源，正所谓“创新设计所依据的科学原理往往属于其他领域”。
TRIZ源于专利，服务于生成专利（应用TRIZ产生的发明结果多数可以申请专利），TRIZ与专利有着密不可分的渊源。充分领会和认识发明级别，可以让人们更好地学习和领悟TRIZ的知识体系。1.4认识发明原理
从1946年开始，阿奇舒勒研究阅读了20多万份发明专利文献，从中挑选出4万份发明级别为第2、3、4级的发明专利。通过对海量的高级别发明专利进行深入的统计、分析和研究，阿奇舒勒最先得到的“解决问题的规律”就是发明原理（inventive principle，IP）。
在阿奇舒勒看来，人们在解决发明问题过程中，所遵循的科学原理和技术系统进化法则是一种客观存在。大量发明所面临的基本问题是相同的，其所需要解决的矛盾从本质上说也是相同的。同样的技术创新原理和相应的解决问题的方案，会在后来的一次次发明中被反复应用，只是被使用的技术领域不同而已。1971年，阿奇舒勒从专利中提取了最常用的解决发明问题的方法（见表1-3），这就是TRIZ理论的40个发明原理。在实践中人们也发现，发明原理是用于解决技术矛盾的最行之有效的创造性方法。表1-3 40个发明原理及其统一规则续表
在实践中人们进一步发现，实际上，这40个发明原理的使用率也有很大不同（见表1-4）。表1-4 40个发明原理按使用率排序
研究也表明，40个发明原理所对应的科学效应（见第9章）的数量有很大不同（见表1-5）。表1-5 40个发明原理对应的科学效应数量续表1.5TRIZ的核心思想
阿奇舒勒发现：技术系统进化过程不是随机的，而是有客观规律可以遵循，这种规律在不同领域反复出现。TRIZ的核心思想是：（1）在解决发明问题的实践中，人们遇到的各种矛盾以及相应的解决方案总是重复出现。（2）用来彻底而不是折中解决技术矛盾的创新原理与方法，其数量并不多，一般科技人员都可以学习、掌握。（3）解决本领域技术问题的最有效的原理与方法，往往来自其他领域的科学知识。
阿奇舒勒发现：“真正的”发明专利往往都需要解决隐藏在问题当中的矛盾。于是，阿奇舒勒规定：是否出现矛盾，是区分常规问题与发明问题的一个主要特征。发明问题指必须要至少解决一个矛盾（技术矛盾或物理矛盾）的问题。
由于TRIZ来源于对高水平发明专利的分析，因此通常人们认为，TRIZ更适用于解决技术领域里的发明问题。目前，TRIZ已逐渐由原来擅长的工程技术领域，向自然科学、社会科学、管理科学、生物科学等多种领域逐渐渗透，尝试解决这些领域遇到的问题。据统计，应用TRIZ的理论与方法，可以增加80％～100％的专利数量并提高专利质量；可以提高60％～70％的新产品开发效率；可以缩短50％的产品上市时间。1.6TRIZ的未来发展
TRIZ可以指导人们发现新原理和总结新知识，也使TRIZ本身可以随着科学技术的发展和社会的进步而不断地完善。TRIZ今后的研究和应用方向主要有两个：一是TRIZ本身的不断完善；二是进一步拓展TRIZ的应用领域。（1）TRIZ是前人知识的总结和升华，受到了一定的时代限制。如何适应新的时代要求，进一步完善内容和体系，一直是人们关注的焦点和研究的主要方向之一。如果把阿奇舒勒的理论成就定义为经典TRIZ，那么现在TRIZ已经派生出了不同的流派与分支。（2）进一步探讨和拓展TRIZ的理论内涵，尤其是把信息技术、生命技术、社会科学等方面的原理和方法融入TRIZ中，从而让TRIZ指导发明创新的能力变得更加强大。（3）全面拓展TRIZ的应用范围，从工程领域拓展到其他领域，使人们能够利用TRIZ去解决更广泛领域内的各种矛盾和发明问题，使TRIZ的受益面更广。（4）要把利用TRIZ解决实际问题的实践和方法进一步软件化和工具化，尽快开发出适合更广阔领域、满足各种不同专业用途的系列化软件。（5）在中国推广以TRIZ为核心的创新方法，还涉及TRIZ本土化的问题。与电灯、汽车、计算机、微积分、进化论等科学技术一样，TRIZ是“舶来品”，如何让其适合中国的国情，根植于中国文化，在中国发扬光大，是研究与推广创新方法的首要任务之一。（6）TRIZ主要解决设计中如何（How）做的问题，但对设计中做什么（What）的问题未能给出合适的方法。大量的工程实例表明，TRIZ的出发点是借助于经验，发现设计中的矛盾。矛盾发现的过程，是通过对问题的定性描述来完成的。其他的设计理论，特别是质量功能展开（quality function development，QFD）法，恰恰能解决做什么的问题，稳健设计则特别适合于详细设计阶段的参数设计。将QFD、TRIZ和稳健设计集成，能形成从产品定义、概念设计到详细设计的强有力支持工具，发挥各自的优势.更有助于产品创新。因此，三者的有机集成，已成为设计领域的重要研究方向。
相对于传统的创新方法，基于TRIZ的计算机辅助创新技术的出现，是TRIZ应用的全新发展。传统的创新方法大多停留在对创新的外围认识和创新技法技巧水平，从心理因素方面尽可能激发个人的创造性思维能力，而没有转化为真正的问题解决方法。它们在一定程度上显得比较抽象，可操作性差，创新效率比较低，无法面对当前各种各样大量的技术难题的解决和创新需求。而TRIZ则成功地揭示了创造发明的内在规律和原理。相对于传统的创新方法，它着力澄清和强调系统中存在的矛盾，其目标是完全解决矛盾，而不是采取折中或者妥协的做法；而且，它基于产品技术的发展演化规律，研究的是整个设计与开发过程，而不再是随机的行为。尤其是它采用了科学的问题求解方法，将特殊的问题归结为TRIZ的一般性问题，应用TRIZ寻求标准解法，在此基础上演绎形成初始问题的具体解决方案，充分体现了科学的问题求解思想和技术特征。1.7国家标准：创新方法应用能力等级规范
当前，我国正处在经济社会和科技事业发展的重要战略机遇期，在建设创新型国家的过程中，推进创新方法工作对有效提升创新能力和水平起到重要支撑作用。由全国创新方法标准化技术委员会（SAC/TC 542）提出并归口，由国家科学技术部科研条件与财务司等单位起草的推荐型国家标准GB/T 31769—2015《创新方法应用能力等级规范》于2015年6月2日发布，2015年7月1日实施。《创新方法应用能力等级规范》规定了创新方法应用能力的术语和定义、等级划分和能力要求，适用于创新方法专业人员应用能力评估。该标准的制定和执行是完善我国创新方法工作评估体系和增强我国创新方法应用能力的重要手段，对于我国整体科技发展水平的提高具有重大意义。
本标准指出：所谓创新方法（innovation method）是指“应用一种或多种科学思维、科学方法、科学工具实现创新的技术”。创新方法应用能力（applied competence of innovation method）是指“经证实的掌握创新方法的专业人员具有的个人素质和解决工程技术与管理问题的本领”。
本标准定义了创新思维、发明问题解决理论（TRIZ）、工业工程等方面的术语。本标准定义了创新方法应用能力等级，共分6级，6级为最高。
例如，创新方法应用能力一级应达到的能力要求是：（1）创新思维技法。
①了解阻碍创造性思维的思维定式类型和突破方法。
②掌握创造性思维方式。
③熟练应用两种或两种以上创新思维技法。（2）TRIZ方法。
①了解TRIZ的工具体系和解题模式。
②了解产品进化的S曲线和技术系统进化法则。
③能够判断当前产品研发和设计过程中的矛盾问题，掌握确定矛盾的方法和步骤，掌握分析和解决矛盾问题的流程。
④能够运用流程与方法解决实际工程问题，产生有效的创新方案构思。（3）工业工程方法。
①熟悉工业工程基本概念及组织架构。
②了解工作研究、人因工程、物流工程、生产运作与管理以及生产系统信息化的基本方法。
③熟悉精益生产的基本概念，了解精益生产的技术体系，精益物流与现场管理技术。
④熟悉六西格玛的基本概念，了解六西格玛的方法与管理体系，以及DMAIC实施过程。【创意无限】发明原理1～4原理1：分割
分割原理是指这样一种过程：以虚拟或真实的方式将一个系统分成多个部分，以便分解（分开、分隔、抽取）或合并（结合、集成、联合）一种有益的或有害的系统属性。在多数情况下，会对分隔后得到的多个部分进行重组（或集成），以便实现某些新的功能，并（或）消除有害作用。随着分割程度的提高，技术系统逐步向微观级别发展。
指导原则：（1）将一个对象分成多个相互独立的部分。例如：
①将轮船的内部空间分成多个彼此独立的船舱。
②在学生宿舍楼中，将同一层分成多个功能相同的小房间。
③内燃机的多个气缸（见图1-16）。图1-16 内燃机的气缸
④将学生分成不同的年级，不同的班级。（2）将对象分成容易组装（或组合）和拆卸的部分。例如：
①组合家具。
②暖气上的多个暖气片。
③将一根根铁轨连接起来，形成铁路。
④建筑上常用的预制件和活动房屋。
⑤在公司的组织结构上，可以使用模块化的方法来实现公司管理的柔性化。（3）增加对象的分割程度。例如窗帘的演变：一整块布做的窗帘→左右两块布做的窗帘→百叶窗。
典型案例：（1）可调节百叶窗（见图1-17）。这是一个“提高系统的可分性，以实现系统的改造”的实例。人们用可调节百叶窗代替幕布窗帘，只要改变百叶窗叶片的角度，就可以调节外界射入的光线。图1-17 百叶窗（2）军用飞机油箱。当军用飞机的油箱破损时，极易引起燃料大量外泄，继而引发爆炸事故。为此，人们将油箱分隔成很多小隔间，以防止这类事故的发生。但这种办法在理论上可行，实际操作并不方便。利用分割原理，人们找到了解决问题的办法，即在军用飞机油箱中，装设一种蜂窝状材料。这种看来有点粗糙的材料，实际是一种多孔的海绵体，它们将油箱分成无数个小“隔间”。从而比较理想地解决了这个难题。
运用技巧：
如果系统因重量或体积过大而不易操纵，则将其分割成若干轻便的子系统，使每一部分均易于操纵。在管理学和心理学上，也可以对组织和观念进行分割及组合。
课堂讨论：
以下是一些利用分割原理来解决工程问题的实例，请说一说其中蕴含的道理。（1）把一辆大型载重卡车分成车头和拖车两个独立的部分。（2）将一个磁盘分成多个逻辑分区。（3）将书籍划分为多个章节。原理2：抽取
抽取原理就是从整体中分离出有用的（或有害的）部分（或属性）。抽取可以以虚拟方式或实体方式来进行。
指导原则：（1）从对象中抽取出产生负面影响的部分或属性。例如：
①最初的空调是一体机（窗式），工作时，压缩机会产生噪声。随着技术的发展，空调被分为室内机和室外机两部分。将压缩机放在室外机中，减少噪声对人的影响。
②在巡航时，战斗机的两个副油箱挂在飞机下方，飞行中会优先使用副油箱中的燃油；在进入战斗前，抛弃副油箱，以减轻飞机的重量，增加飞机的机动性能（见图1-18）。图1-18 战斗机悬挂的副油箱
③从口腔（系统）中拔掉（抽取）一颗坏的牙齿（有害部分），以改善口腔的健康状况。
④利用避雷针，把雷雨云中的电荷引入大地，从而避免建筑物遭受雷击（从物体中抽出可产生负面影响的部分或属性）。（2）从对象中抽出有用的（主要的、重要的、必要的）部分或属性。例如：
①用狗叫声作为报警器的报警声，而不用养一条真正的狗（将狗叫声从“狗”中抽取出来，作为有用的部分来单独使用）。
②将稻草人作为“人”的代表放在稻田中（将人的外形从整个“人”中抽取出来）。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]