创造性作业设计课题研究论文

机械创新设计是一个极其重要而又困难的实践性较强的研究课题。目前创新设计方法研究虽然已取得一些成果，但创新学还处于发展初期，各种不同理论及工具不断涌现，远没有形成普遍可以接受的统一的理论体系。本文认为，要进行机械创新设计要有两个必要条件：一是充分获取适用的知识；二是要使用符合创新设计思维并能激发创新思维的设计系统。设计过程充满了矛盾，所获取的知识应有助于矛盾的迅速解决，这就要求知识获取工具紧密集成到设计过程中，因此要统一研究知识获取工具与设计系统。另外，人类的创新设计思维模式是在长期的成功设计经验中总结形成的，因此设计系统必需符合创新设计思维规律。创新设计思维规律应作为算机辅助创新设计系统的理论基础。基于上述考虑，本文从创新设计思维的研究出发，融合知识获取方法，研究创新设计理论，进而开发机械产品创新设计系统。1 机械创新设计思维规律我们常把思维的过程称为“思路”，是因为可用路径问题来说明人类思维过程。本文提出两个机械创新设计思维原则：一是最短路径原则。设计者得到产品的功能要求后，往往首先检索出最佳设计实例，这样可以最迅速接近目标，然后运用价值工程方法，找出价值较低的极少数组件作为研究对象，再分析所得对象存在的矛盾，尝试作最小变动以解决矛盾，如矛盾没有解决则拟作更大变动或扩大研究对象范围，最后得出最优结果。通过这样途径所消耗的能量最少，体现了最短路径原则。二是相似性联想。汤川秀树的定同理论认为，联想能力就是找出事物彼此相似性的创造力，相似性是指事物间的内在联系。要用计算机系统来辅助设计师从自然界中发现形态各异的事物的相似性是很困难的，因此本文只研究从机械产品实例中挖掘相似性，以促进机械创新设计。机械设计过程是从功能要求到作用原理，再到物理结构的映射过程[1]。在CBR系统中，功能要求、作用原理与物理结构可作为实例索引，因此可统称它们为索引项目。同一索引的不同类索引项目之间的联想可称为纵向联想，而不同索引的同类索引的联想可称为横向联想。判断联想是否合理的依据是相似性，相似性由已有产品实例确定。比如，“超声波研磨机产品实例”使“超声波振动”作用原理与“研磨”功能要求纵向地产生了内在联系；又如，多种产品实例可满足同一功能要求，那么它们用于实现该功能的作用原理及物理结构具有相似性。功能要求是联想的起点，经验丰富的设计师通常记忆有大量的设计实例，因而掌握纵向及横向相似性，所以能迅速地进行横向及纵向的联想，能触类旁通，得出具有相似作用原理及物理结构的实例（简称相似实例）并进行组合优化，最后得到最优解。 这两项原则已被多种设计方法不自觉地采用了，基于实例推理不但能迅速接近最优解，体现最短路径原则；物场分析法（简称TRIZ）分析了上百万设计实例，确定功能要求与作用原理及物理载体的内在联系，以及不同作用原理或物理载体的可替代关系，使设计师可根据功能要求找到适当的作用原理及物理载体，体现相似性联想原则。2 计算机辅助创新设计系统 两项创新设计思维原则充分体现在计算机辅助创新设计系统的设计中，系统还利用了多种创新设计方法及人工智能技术。计算机辅助创新设计系统的流程如图1所示，它包含如下关键技术： 实例检索 利用基于实例推理（CBR）技术时首先要深入研究它的优缺点。CBR是一种以实例为知识载体的知识供应方法。当前它仍有如下不足：首先，系统为了达到实用通常建立庞大的实例库，这导致管理困难，系统运行效率低；其次，通过检索得到的只是一个或很少实例，而其它不符合检索要求但含有适用知识的实例没有利用，支持创新的力度不够；最后，实例调整严重依赖领域知识，难度大，所以很多CBR系统简化为实例检索系统[2]。导致这三项缺点的深层原因是实例是独立的，不同实例所蕴含的知识难以组合利用。为了克服这个矛盾本文提出通过相似性联想找出相似实例，并利用遗传算法进行组合优化，实现实例知识的重用。本系统的实例检索功能用商品化PDM系统IMAN中的产品结构与配置管理功能及搜索功能来实现，实例的可视化表示与管理依靠IMAN的产品结构树功能实现。可视化的实例模型表达及矛盾分析概念设计技术的发展方向为研究一种统一的设计方案表达方法[3]。文献[4]对日本学者吉川弘之提出的FBS图进行扩充，使用两个框架分别描述一个设计方案的功能层次与结构层次，并存储功能单元与结构单元的对应关系，使计算机理解产品的结构及其功能。这种方法的缺点是结构与功能的关系不够直观，因此本系统在功能层次图与结构层次图的基础上增加功能关系图，以语义网络的方式描述结构及之间的作用关系，使结构与功能处于同一张图中，设计者可直观地理解产品原理，根据功能关系图并运用价值工程方法分析实例存在的矛盾。实现创新的关键是正确分析产品中所存在的矛盾[5]。产品设计中的基本矛盾是产品功能成本比不能满足用户要求，它有两种表现形式，一是未能实现某些产品功能质量目标；二是某些功能质量得到改善而某些功能质量却恶化。矛盾分析结果用于指导新作用原理、新物理结构的联想，进而找出相似实例。基于WEB的创新设计知识库本系统的创新设计知识库包括作用原理库、物理结构库与实例库。当系统根据相似性搜索到新作用原理或物理结构后，相应的实例自动调出。作用原理库与物理结构库的开发借鉴了TRIZ的成果，再针对机械领域补充整理出二百四十余种作用原理（其中包括五十余种基本措施）。在每种作用原理下分别存储多种物理结构，形成物理结构库。实例库主要针对几种常见的家电产品进行开发。创新设计知识库是创新设计系统的核心部件，它是一种WEB文本知识库，文本经过笔者开发的机械知识XML标记处理，使知识库建立在国际标准XML文本之上，因此可实现知识资源的异地共享，并且在此知识库之上可建立基于WEB的机械产品计算机辅助创新设计系统，满足异地协同设计的需要。相似性的量化方法及改进的遗传算法每种产品的结构不同，需要不定相同的遗传算法编码。本系统为了提高运行效率，采用浮点数编码方式。在传统的遗传算法中，初始群体是通过用随机的方法来产生的[6]，这具有一定的盲目性。因此本文提出利用实例的作用原理或物理结构的相似性作为筛选实例产生初始群体的依据。实现该途径的关键在于相似性的量化也即相似度的计算方法。相似度实质是实例的关联知识，必须以一定的算法在实例集合中挖掘得到。纵向联想的相似度实质是功能目标与实现手段的关系程度，横向联想的相似度实质是实现手段的可替代关系程度。相似度越高意味着得到已有产品实例的更多支持。根据相似度来筛选初始群体就等于利用以前的设计经历，使初始群体的产生有合理的基础，因此能加快遗传算法的收敛。本文根据相似性联想原理提出如下纵向及横向联想的相似度计算方法。设产品实例集合为C，功能元素集合为F，作用原理或物理结构元素集合为G。分别记为：C={Ci|i=1,2,…,n}; F={Fj|j=1,2,…,m}; G={Gk|k=1,2,…,q}。实例集合中的实例Ci以不同的隶属度uij及uik分别隶属于Fj及Gk。 设元素Gk到元素Fj的纵向联想相似度为rkj，则：rkj = 又设G空间中有元素Gk和Gm。实例Cji分别以隶属度uik和uim隶属于元素Gk和Gm，设从Gk到Gm的横向联想相似度为rkm，则：rkm = 隶属度作为实例对象的一项属性来存储。系统根据以上算法从实例集合中挖掘相似度知识，辅助设计师从相似度较高的方向进行联想，并用于指导遗传算法初始群体的产生，从而促进设计创新。3 结论 本文研究创新设计思维规律并用于指导机械产品创新设计系统的开发，系统的成功应用证明了关于创新设计思维规律论断的正确性以及多种新技术的可行性。系统可通过矛盾分析与联想，搜索到适用的作用原理、措施、物理结构及实例以解决矛盾，完成概念设计阶段的功能优化与原理优化，是实现机械广义优化设计方法的新成果。

一、课题摘要

年九月我校低年级组向区课题组申请了题为《低年级语文作业设计有效性的研究实践》并于年十月份在区级立项。

随着课程改革的不断深入，语文教师不但要关注课堂教学的有效性，更应关注语文作业设计的有效性。本文针对传统作业出现的种种弊端，从作业设计的趣味性、个性化、实践性、拓展性等方面去反思现状并根据调查到的几种弊端分析出相应的对策，对语文作业设计有效性进行研究，从而探讨出优化语文作业设计的措施。从年十月到年七月我们课题组成员做了大量富有成效的研究工作，并取得了一定的研究成果。

本课题总体目标：

通过该课题的研究逐步提高学生的学习兴趣、发挥他们学习的主动性、自主性、积极性；减轻学习上过重、不适当的心理负担和恐惧心理；创设一定的条件关注学生的差异，满足不同学生的学习需要，使每个学生都能得到充分的发展；通过改变作业的组织形式和呈现方式，让学生富有个性的学习，在丰富多彩的作业内容和形式中获得自我发展、自我完善，实现完美人格。 并在实践中转变教师的教育观念，尊重学生的个别差异，注重学生个性化的作业方式。

本课题研究的重点是：

1、充分发挥学生的个性特长，创设利于学生发展的氛围，注重培养学生的作业兴趣。

2、根据学生的年龄特征，开展他们喜闻乐见的作业形式，让他们在实践中培养其作业兴趣，让学生在实践中创造、发现，促进学生思维力、创造力、想象力的发展阶段，学会创造性学习。

本课题的研究主要经过如下几个阶段：

第一阶段：准备阶段。第二阶段：规划设计阶段。第三阶段：教学策略的实践操作阶段。第四阶段：结题推广阶段。

通过本课题的研究，我们得出结论：在教学班中实行“作业设计有效性”的研究与实践，对于推动学生的语文学习具有不可估量的作业。

二、问题的提出

（一）课题研究的意义

该课题的研究，有利于提高教师的理论素养和教学实践经验，使教师对新课改视眼下语文家庭作业的设计有一个全新的认识，同时对于学生，好的作业设计对课堂教学的收获是有益的补充，可以更全面地提高学生的语文素养和语文能力；有利于更好地做到减轻学生的课业负担，激发学生的好奇心

和观察力，丰富学生的课外学习生活，培养学生发现问题、解决问题的能力。养成主动积极地学习语文知识的好习惯；有利于学生运用所学知识解决现实生活中的一些实际问题的能力。促进学生思维力、创造力、想象力的发展，学会创造性地学习。

（二）课题的提出及背景分析：

优化作业设计，实现作业设计的有效性既能巩固知识又能发展学生的能力、培养他们的创新精神与意识。《新课程标准》为小学语文教学的整体深化指明了方向，也引领和提升了语文作业设计理念。近年来，全国各地对作业设计方面的研究非常重视。但综观目前作业设计现状：传统作业设计的种种缺陷仍然有目共睹。为此，本课题组通过对大量课堂内外的作业进行调查、反思、分析归类和思考，发现了以下几种常见的弊端。

综上所述：虽然，传统的作业设计对学生基础知识，基本技能方面有一定的优势。但它对学生今后的成长却极为不利的，如果不加以改变必将使作业陷入机械重复的误区。学生终日陷于“题海“之中，苦不堪言，身心的发展也必将因此受到抑制。所以本课题在对目前作业的设计进行充分调查之后，吸取国内外优化作业设计的理论精华，提出相对应的对策形成合理的作业机制，从而构建科学、高效的课堂教学，促进教育教学质量的提高。

背景2：教师对作业设计有效性的困惑

在我们的课堂教学中常可见这样的情景：快下课了，教师在学生的叫喊声中慌慌张张地进教室布置作业，教师的声音常常淹没在下课的铃声以及学生的喧嚣声中；上完课后让小老师将作业抄在教室的小黑板上，满满一黑板，学生下课急着抄，中午趴着抄，互相传着抄……

为系统了解教师对学生作业情况的了解，本课题组拟定了以下几个问题，并将结果加以归纳，反馈如下：

通过对教师的调查分析发现：许多教师都意识到作业是课程改革的重要载体。但在具体的操作过程中仍存在着不少弊端。有心致力于作业设计有效性的教师反应：1、批改新课程下的作业加大了他们的批改难度：此类作业对教师的知识结构、文化素养、思辫能力以及新视点的把握等具有很大的挑战。

2、部分教师在设计作业时，不管面对学生的层次如何一刀切的实行只有部分优等生能掌握的作业，却忽略了学生基础知识的'掌握，刻意拔高作业难度。3、批改作业所需的大量时间造成教师无法深入钻研教材，优化教学，提高自己的教学质量。

背景3：学生对优化作业设计的渴望

我们课题组拟定了一份低年级学生作业调查表（详见附页）对全校低年级11个班的学生进行了调查，调查发现大部分学生认为做作业并不是一件愉快的事，作业形式单一、没有选择的自由，成了压抑学生成长的工具。他们渴望作业形式的多样化和作业内容的开放性，渴望在作业中放飞自己的理想。另外学生在完成作业过程中缺少必要的自觉性再加上教师对作业又缺少必要的指导，使得作业的有效设计在很大程度上流于一种形式。

总之在实践中，仍然出现大部分教师对优化作业设计的片面理解和低效操作，对学生缺少必要的指导。本课题在分析这些低效作业形成原因的基础上制定出相应的对策进行研究和验证。从优化作业设计的有效角度摸索出可推广的对策。

（三）文献综述：

“任务学习”认为：学生是作业的主体，作业的设计与指导应该围绕学生具体的、个性的学习活动展开，而不应是整齐划一的。作业的设计必须尊重学生的实际，教学活动开展的需要和学生现有的认知特点。它是教学活动的有机组成部分。它的有效性特指“从一定的标准来看是最好的”，标准有很多，但最重要的是效果和时间，既提高质量，又不增加负担。“有效”不等于“理想”，它是特指一定条件下的最优。作业设计有效性是指教师在设计作业时根据学生的实际和年龄特点，将作业进行最优化设计，让学生对作业产生兴趣，从而提高他们的语文能力。本课题将从以下几方面进行分阶段研究。

调查归因找准切入点

作业形式体现多样性

作业内容突出趣味性

作业评价构建人性化

作业方式力求兼容性

学习是一个循序渐进的过程，学生的学力差异是颇为复杂且客观存在的，不同学生感觉作业负担的标准也是不一样的。因此作业布置应该“因材而为”，要考虑学生不同的学习习惯和自学能力，不同的思维和认知特点，不同的基础和潜力后，科学、合理地安排课内外的学习任务。在考虑适量作业的同时，注意在作业的设计上下功夫。

另外，国内外教学论研究中对作业问题也相当重视如：早期苏联的教学论专家凯洛夫、斯米尔诺夫，他们都将作业与课堂教学视为同等重要，把作业研究视为教学论研究的重要方面；美国学者库柏在世纪八十年代末，出版了专著《家庭作业》对作业的功能与作用进行了大量的研究；我国学者吴也显在他的著作《教学论新编》中把教材分成三个系统:课题系统、图象系统和作业系统。

我们课题组成员吸取了任务学习理论的精髓所在，将它与新课程标准下的作业改革相结合，并以此作为我们课题研究的主要理论及依据。在前人的经验基础上扬长避短。针对目前作业设计现状所出现的种种弊端进行调查，同时结合国内外的理论基础，对调查的弊端反思出相应对策并进行研究，实现作业的优化设计。

（四）研究基础

我们课题组的区级课题《小学低年级识字教学生活化研究》已于今年上半年完成。在结题时积累了一定的经验如：如何让学生主动获取知识与经验，促进其思维力、创造力、想象力的发展，学会创造性的学习等。这即是“识字教学生活化”课题研究的最终目标，又是优化作业设计的宗旨，是它的理论与实践基础。因为优化作业设计的“生命力”就是要充分发挥学生的主体性，通过启发和引导，让学生以各种形式的作业设计，在趣味性、个性化、实践性、拓展性的作业中进行创造性地学习和活动，充分调动了学生学习的主动性，使每位学生都能成为学习的主人。另外，新课程的颁布与实施为优化作业设计创造了重要的契机。学校、家庭、社会已为优化低年级语文作业设计创造了良好的环境，也将会为此创造更佳的条件。

三、研究构想

（一） 研究内容

1．调查小学低年级语文作业设计现状，从学生作业有效性出发，分析学生作业的兴奋点，寻找

有效地激发学生作业兴趣的方法。如利用校园文化资源，构建生活化的课堂、设计创造性的生活化作业等。

2．探寻保持学生作业兴趣的方法。当学生的作业兴趣被激发起以后，为了稳定和保持这种兴趣，也为了获取他们完成作业效果的反馈信息，可以采用竞赛、交流等方法。

3．挖掘教材特点科学地进行作业设计，科学地布置作业。

（二）研究对象

在《作业设计有效性》预试阶段和正式实施阶段，将年级组的几个教学班的学生及教师作为研究对象。

（三）研究工具和材料

准备阶段：本课题以调查分析为主要方法辅以文献法、问卷调查法等。调查对象以海门小学低年级语文作业设计为落脚点，分布到各个班的课内外作业设计中去。

实施阶段：以行动研究法为主，辅之以个案跟踪研究。把研究的重点放在课外的作业设计中。根据两位对照班教师对同一课文设计的不同作业进行对比比较，结合课题研究，进行分析和对策归因。保证学生之间的差异性和个性化让作业成为学生成长的一种需要并开展一系列活动，并对几个典型的好、中、差学生建立个案，跟踪研究，以观察此研究的效果。

总结阶段：以经验总结法为主。这阶段教师将以论文，结题报告等形式对这一研究作总结，同时展示学生作业实践、比赛活动等照片。