第1章创新的内涵
1.1创新的定义
在已经沉寂的研究领域提出创新思想，在十分活跃的研究领域取得重大进步，将原先彼此分离的研究领域融合在一起—Science对创新的解释。
要领会创新的内涵，不妨先来感知创新。
美国得克萨斯州博蒙特市在1901年之前还是个名不见经传的小城，这里有个怪异的高地叫“大山”，到处是供牲畜治疗虱子和疥癣的臭污泥坑，却正是这些臭污泥坑中的泥浆成就了博蒙特，成为后来举世闻名的“纺锤顶”油田，如图1-1所示。
博蒙特的大山地处海湾平原，从1893年开始，先后有人在这里花了7年的时间打了4口井，却都因为井口塌陷而以失败告终。美国著名石油财团洛克菲勒公司的专家曾一度判定：在这种平原下是挖不到石油的。但是仍有一些“冒险家”不放弃，有人请来了打井行家哈米尔兄弟—艾尔 哈米尔和喀尔特 哈米尔来“掘金”。哈米尔兄弟和雇主商讨的施工报酬是掘进1m深度得到6.5美元，按照合同掘进一口360m深的油井，就可以获得2340美元的薪资(相当于今天11万美元的购买力)。虽然诱惑巨大，但是这些财富*初看来只像是空中楼阁—因为当地土质以砂土为主，钻孔后极易坍塌，根本无法掘进。就在哈米尔兄弟经历了一次次钻井失败即将要放弃的时候，突然想出了一个看似怪诞的招数：他们干起了放牛的老本行，并在油井旁边挖了一个泥塘，让奶牛在那里栖息奔跑，疯狂地践踏泥塘，兄弟俩将泥塘中产生的泥浆涂抹在钻井壁上。令人意想不到的是，这些泥浆表现出了明显的支护作用，井壁不再有颗粒下落，塌孔的情况大大改善，钻井的深度也随之变深。终于，当掘进2个月(1901年1月10日)，钻井深度达到330m时，发生了前所未有的井喷。在9天时间里，这口井把大约11万吨原油喷向天空，洒向大地，平均日产达1万多吨，相当于当时全美国日产量的1/2。这口井也因此成为世界上**口日产万吨的高产油井，也正式拉开了一个新“掘金”时代的序幕！
哈米尔兄弟这种看似原始的“小把戏”，实际是一个重大的技术创新，他们利用了当地泥浆中黏土具有的触变性(简而言之就是某些类型的黏土颗粒间存在特殊的电键连接机械结构，使得其在外界扰动下易变为随意流动、几乎没有强度的流体，而当扰动停止以后，黏土的强度又会慢慢恢复)，以泥浆形成低透水性泥膜，一方面阻碍外部泥浆渗入地层，防止地下水浸出而稀释泥浆，另一方面形成外部泥浆柱压力作用面，以抵抗地压维护土壁稳定，从而起到支撑钻井的作用，虽然强度不大，但防止砂土的塌落已是绰绰有余。这个创新所带来的施工界的技术革命对于世界经济的影响力之大很难估量，而如今称为泥浆护壁的这项施工技术也已在岩土工程施工的各个角落广泛应用。
上面的故事让我们感受到了创新的力量及其无处不在的潜质，那么创新究竟包含哪些内容呢？应该说，创新包含的内容非常广泛，它是指人们为实现一定目的，遵循事物的发展规律而进行的更新和发展活动，是在人类政治、经济、工程和精神等各个领域、各个层面上进行的需要付诸实践的新发展、新突破，具有高风险、高回报、重创造等特点。纺锤顶油田上，哈米尔兄弟利用泥浆触变性这一土力学特性开发钻井的泥浆护壁技术，正是创新在工程领域留下的一个生动注脚。
下面，就让我们一起进一步走近创新，了解创新的系统内蕴。
世人所公认的，**次将创新从经济学的角度出发，完全区分于创造、发明并进行深入研究的，是被誉为创新之父的美籍奥地利经济学家约瑟夫 熊彼特(J.A.Schumpeter)。他在1912年出版的《经济发展理论》一书中提出了创新的概念，并对其模式进行了探讨。约瑟夫 熊彼特认为，创新就是建立一种新的生产函数，他*次把生产要素和生产条件的新组合引入生产体系中，而这些新组合较旧组合能够生产出成本更低或利润更高的产品，从而具有了新意。他把技术创新过程划分为发明、创新、推广和选择四个步骤。发明通常是指人们*次对一项技术、一个理论或一个产品的创造；创新是从发明到产品，并在市场上实现销售的过程；推广就是把新产品提供给*终用户的市场行为；选择指的是客户对创新产品的选择行为。一项成功的创新，就是企业家发现潜在市场价值和创新机会，通过整合各种创新要素和资源，在合适的创新环境下，把技术上的可行性转化成市场和客户认可的产品，*后获得创新收益。约瑟夫 熊彼特把创新活动归结为以下五种形式：①生产一种新产品或与过去产品有本质区别的产品；②采用一种新的生产方法、新的技术或新的工艺；③开拓新的市场，不管这个市场以前是否存在；④获取或控制一种原材料或半成品的新的供给来源；⑤实行新的企业组织方式或管理方法。
约瑟夫 熊彼特提出的创新概念主要是从技术经济的角度考虑的，此后，国内外专家学者在此基础上又进行了深入研究，使创新的内涵和外延有了进一步的扩展，而这期间形成的研究视角、研究方法、研究层面、研究分类已然像是一片汪洋大海。
20世纪60年代，新技术革命迅猛发展，美国经济学家华尔特 罗斯托提出了“起飞”六阶段理论，将一个国家的经济发展依次分为传统社会阶段、准备起飞阶段、起飞阶段、走向成熟阶段、大众消费阶段和超越大众消费阶段，将创新的概念发展为技术创新，把技术创新提高到创新的主导地位。伊诺斯在《石油加工业中的发明与创新》一文中*次明确地对技术创新进行了定义：技术创新是几种行为综合的结果，这些行为包括发明的选择、资本投入保证、组织建立、制定计划、招用工人和开辟市场等。美国国家科学基金会将技术创新定义为将新的或改进的产品、过程或服务引入市场。被誉为现代管理学之父的彼得 德鲁克提出：创新是创业者的特殊工具。通过创新，他们把变化作为发展不同业务和服务的机会。它可以作为一种学科，可以学习，可以实践。
由此可见，创新的共同特点是要付诸实践，内容可概括为：个体为了取得某一有益效果，创造某种符合国家、社会或个人价值需要的具有革新性或*创性的事物、方法、路径、环境等。
随着时代发展，创新概念也逐步地从单纯技术领域扩展到非技术领域，出现了制度创新、组织创新、管理创新等新的内容。具体分析类型从两个层面来谈：**层面包含创新的内容及范围；第二层面包括创新的层次。创新的内容及范围分为：①产品或者服务的创新；②根据自然科学原理和生产实践经验而发展成的各种工艺流程、加工方法、劳动技能的创新；③对生产、生活中所有资源(包括人、财、物)进行有效组织与管理的方法、模式等的创新。创新层次可以归为渐进性创新和根本性创新，渐进性创新是指对现有技术的改进引起的渐进的、连续的创新；根本性创新是指技术有重大突破的创新。总之，创新是一项系统工程，创新的过程是一个创造性破坏过程，是破坏某种均衡又达到新的均衡的过程。
党的二十大报告指出，“必须坚持科技是**生产力、人才是**资源、创新是**动力”，创新对于一个国家是如此，对于一个学科、一个专业的发展也是如此。那么，土木工程及其相关领域的创新又是指的什么呢？
土木工程按照流程分为规划、勘察、设计、施工、管理、后评价等，在这些流程中的各个方面提出新观念、新概念、新理论、新材料、新技术、新工艺等，并将其付诸实践，在土木工程领域取得新成果，都可称为土木类创新。土木类创新一般有以下四种：①概念创新，指在土木工程领域的科研、技术开发和应用等方面提出新的概念，以改善或解决相关技术难题；②原理创新，主要针对基础研究和应用基础研究中的理论创新；③技术集成创新，主要针对新技术的开发、应用领域、应用方式等进行组合，发挥效用*大化；
④技术应用创新，主要是在应用中，根据实际工程需要以提高效率、降低成本、创造更高价值等为目标的技术革新等。
为引导和加强我国土木工程建设自主创新，中国土木工程学会、北京詹天佑土木工程科学技术发展基金会于1999年联合设立中国土木工程詹天佑奖，主要目的是推动土木工程建设领域的科技创新活动，促进土木工程建设的科技进步，进一步激励土木工程界的科技与创新意识。
下面以2015年公布的第十三届中国土木工程詹天佑奖中的部分获奖项目为例，简要分析当下我国土木工程领域的创新之举。如图1-2所示的武汉天兴洲公铁两用长江大桥正桥工程*次提出并采用了三索面三主桁斜拉桥结构，解决了桥梁跨度大、桥面宽、活载重、列车速度快等带来的技术难题，实现了我国铁路桥梁跨度从300m级到500m级的跨越，有关技术还曾获国家科技进步奖一等奖。南京长江隧道工程(图1-3)，解决了高水压、浅覆土、复杂地层的超大直径隧道施工技术难题，构建了大直径盾构隧道设计、施工和运营过程结构安全体系，开发了适用于高磨蚀性砂卵石地层的刀具配置技术、刀具更换技术与进舱泥膜技术及开挖面稳定控制技术体系，有关创新技术两获国家科技进步奖二等奖。窥一斑而知全豹，土木工程在中国、在世界得到了快速的发展，而随着人们对工程需求的不断提高，对现有的概念、原理及技术也提出了新的要求，所以，必须以创新来保证土木工程更稳定、更长远地发展。
土木工程专业是一个实践性非常强、工程性质十分明显的专业，其创新必须在工程实践中得到应用和取得成效才能取得突破性进展，这就需要一大批专业人才针对现在土木工程领域出现的问题，综合各方面的经验和研究力量来进行必要的创新和实践。《中华人民共和国高等教育法》第五条明确指出：“高等教育的任务是培养具有创新精神和实践能力的高级专门人才。”因此，土木工程专业要以培养专业技术人才为目标，在强调扎实的理论基础和宽广的知识面的同时，应将培养学生的实践及创新能力作为重中之重。
本书主要专注于土木类大学生创新实践能力培养，意图通过阐述创新方法，构建以创新实践为平台、以创新竞赛为抓手的培养体系，通过环境氛围的熏陶，让学生具备创新实践的相关知识，并能够得到必要的能力培训。
1.2创新与国家发展
1.2.1创新促进经济发展
美国某大型公司进行过一项调研，调查了该公司12个国家1000名高级业务主管，发现这样一组数据：95%的受访者认为创新是一个让国家经济更具竞争力的重要杠杆；而88%的受访者相信，创新是为他们的国家创造就业机会的*好方式。
美国里奇蒙德联邦储备银行(Richmond FED)主席杰弗里 莱克(Jeffrey Lacker)说：近年来，推动美国薪资和就业趋势的幕后因素是科技进步，而非贸易。2021年*新自然指数发布，美国、中国、德国居国家排名前三名。
北京师范大学黄安年教授从历史发展角度，分析了美国科技带动经济发展的情况。他在《美国经济发展史》中指出：20世纪的科学成就及其所创造的物质财富，大大超过了以往数千年的总和。美国强大的经济实力正源于其背后有着强大的科技实力。美国之所以成为站在当今知识经济浪潮前头的国家，绝非一日之功。
回顾美国过去一个世纪的发展历程，基本上验证了创新是提升国家竞争力、增强国家国力、创造就业和不断提高生活水平的重要动力。1990年，美国商务部实施了“先进技术计划”(ATP)；1993年11月，美国历史上破天荒地在白宫内设立了以国家领导人为*的国家科技委员会，与国家安全委员会、国家经济委员会三足鼎立；后来，美国政府又陆续颁布和实施了《国家创新议程》《美国竞争力计划》和《美国竞争法》等。这一系列立法、制度、措施都反映出美国政府对科学研究与开发、教育、基础设施投入的支持，不仅形成了良好的创新环境基础，也建立了一个良性创新生态系统。新的研究与开发创造新的产业和产品，这需要教育体系能保证劳动力具备必要的技能以满足创新对研究人员的需求，从而推动教育改革；既需要不断更新基础设施刺激研究与开发，又需要教育系统不断转化新的创新人员，这样一个生态的循环系统，造就了美国的地位。
然而，现在也有了不同的声音：美国的创新能力有所下降。泰勒 考恩作为美国炙手可热的非主流经济学家、名博博主，2011年在《大滞胀》(曾两度跻身《纽约时报》*畅销电子书)中提到美国正处在大停滞时期，罪魁之一在于美国自1973年以来，科技创新的步子大幅放缓了。美国《财富》杂志著名专栏作家克里斯 马修斯写了一篇《为什么在创新领域中国已然赶超美国》的文章，讨论了目前美国在研发创新领域的停滞。而这些发声都是为了让美国政府引起注意，注重科技创新的
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