Современная научно-техническая революция, характерной чертой которой является бурное развитие науки, техники и производства, вошла в противоречие со старым, ненадежным, малопроизводительным способом мышления. Человечество пытается преодолеть это противоречие путем создания специальных научных методов активизации и рациональной организации инженерного творчества. Это стремление повысить эффективность творческого труда инженера породило ряд приемов, методов и методик, позволяющих в той или иной степени активизировать мышление, развивать и реализовать творческие способности человека.
Цель методов активации поиска новых технических решений состоит в том, чтобы сделать процесс генерирования идей интенсивнее, повысить «концентрацию» оригинальных идей, в общем их потоке. Для этого в методах применяют специальные механизмы повышения эффективности творческого процесса.
Наиболее широкое распространение из числа коллективных методов поиска новых идей решения изобретательских (инженерных) задач нашли метод «мозгового штурма» и его разновидности, а также метод синектики.
«Мозговой штурм». В основу метода «мозгового штурма» положен принцип разделения в пространстве или во времени процессов генерирования идей и их экспертизы, что позволяет в значительной мере преодолевать такие отрицательные свойства человеческого мышления, как психологическая инерция, стремление действовать в соответствии с прошлым опытом и знаниями, идти традиционными путями, устранять психологические препятствия, вызываемые боязнью критики.
Реализация указанного принципа достигается тем, что сформированную перед началом штурма только в общих чертах задачу последовательно решают две группы людей по 14-15 человек в каждой. Рекомендуется для проведения штурма приглашать людей разных специальностей и разного уровня образования. В то же время нежелательно включать в одну группу людей, присутствие которых может в какой-то степени стеснять других, например руководителей и подчиненных. Целью первой группы является только выдвижение идей решения задачи. В состав этой группы включают людей, склонных к абстрагированию, обладающих чувством новизны и фантазии, способных генерировать идеи, поэтому этих людей называют «генераторами идей».
Вторая группа осуществляет экспертизу выдвинутых в результате «штурма» идей, устанавливает степень их ценности с позиции оригинальности решения, экономичности и практической целесообразности. Вторую группу называют «экспертами идей» и в ее состав включают людей с аналитическим, критическим складом ума.
В настоящее время существует много разновидностей метода «мозгового штурма»: индивидуальный, обратный, парный и массовый, двухступенчатый с оценкой идей, «конференция идей», с дополнительным сбором идей. В индивидуальном «штурме» задачи участвует один человек, последовательно генерируя идеи, а затем анализируя и оценивая их. В обратном «мозговом штурме» на первое место выдвигается критика, что позволяет находить недостатки и ограничения технического объекта или высказанных идей. Обратный «мозговой штурм» целесообразно применять для выявления и постановки новых изобретательских задач, которые, как правило, носят более конкретный характер. Парный «мозговой штурм» проводят два человека, один из которых генерирует идеи, а второй их анализирует и оценивает.
Массовый «мозговой штурм» проводится в больших аудиториях с целью увеличения эффективности процесса генерирования новых идей. Всех участников «штурма» делят на группы по 5-7 человек, их руководителей за 2-3 дня ставят в известность о предстоящем «штурме», знакомят с порядком его проведения и с задачей, которую предстоит решать. Задачу формулируют как личную.
«Мозговой штурм» получил дальнейшее развитие в виде метода «конференции идей».
Синектика . Сущность метода определяет его название «синектика», что в переводе с греческого означает совмещение разнородных элементов. В отличие от метода «мозгового штурма» поиск новой идеи или решения в процессе синектического заседания осуществляется группой профессионалов (оптимальный состав 5-7 человек) - людей различных специальностей, которых обучают изобретательским приемам творческого решения проблем путем неограниченной тренировки воображения и объединения несовместимых элементов.
Синектическое заседание отличается от «мозгового штурма» использованием некоторых приемов психологической настройки, в том числе очень активным применением различных аналогий.
Главными инструментами поиска новых идей решения проблемы в ходе синектического заседания являются аналогии, среди которых чаще всего используются следующие: прямая, личная, символическая, фантастическая.
При прямой аналогии делается попытка использования аналогичных решений в других отраслях техники или живой природе по отношению к рассматриваемому объекту или процессу.
Личная аналогия, или эмпатия , заключается в отождествлении себя с рассматриваемым объектом или процессом.
Сущность символической (абстрактной) аналогии заключается в том, что требуется в краткой парадоксальной форме (буквально в двух словах) сформулировать фразу, отражающую суть явления (процесса) рассматриваемой проблемы. Она должна выражать связь между словами, которые обычно никак друг с другом не сопоставляются, и содержать в себе нечто неожиданное, удивительное.
Применяя фантастическую аналогию , вводят различные фантастические средства или персонажи, выполняющие то, что требуется по условиям задачи. Такая аналогия способствует генерации свежих и оригинальных идей, активизирует творческое мышление.
Полученные в результате использования аналогии новые идеи увязывают с решаемой проблемой, анализируют и определяют их возможности. Отдельные предложения, возникающие в процессе обсуждения, используются, чтобы вызвать новые точки зрения на проблему, способствующие успешному ее разрешению. Важным элементом этого этапа является критическая оценка экспертов.
На последнем этапе синектического заседания осуществляются развитие и максимальная конкретизация идеи, признанной наиболее удачной. Основное время синекторы посвящают инженерному анализу, изучению и обсуждению полученных результатов, консультируются со специалистами, экспериментируют, а когда решение созрело, занимаются поисками наилучших способов его реализации.
Для активации поиска новых идей в практике инженерного творчества применяются так называемые ассоциативные методы (каталога, фокальных объектов, гирлянд случайностей и ассоциаций).
Процесс поиска новых идей с помощью ассоциативных методов осуществляется путем поиска аналогов совершенствуемого объекта, переноса знаний из одной области в другую, интерпретации нового посредством известных понятий и т.д. В связи с этим в творческом процессе достаточно эффективно используются такие источники генерирования новых идей, как ассоциация, метафора и аналогия.
Ассоциация – это связь между отдельными представлениями, при которой одно представление вызывает другое. Метафора означает перенесение свойств одного предмета (явления) на другой объект на основании общего для обоих признака. Аналогия отражает сходство предметов, явлений, процессов в каких-либо свойствах.
Для возникновения ассоциаций и генерирования идей можно использовать цвет, как он оказывает определенное психологическое воздействие на человека.
Красный цвет психофизиологически наиболее активно воздействует на человека, стимулирует его психическую деятельность, активизирует реакции, поэтому используется для кратковременной активизации деятельности; продолжительное воздействие при больших угловых размерах поля зрения вызывает сенсорное утомление и спад активности; плохо виден при слабой освещенности.
Оранжевый цвет стимулирует нервно-мышечную деятельность, способствует психологическому контакту с окружающей средой, при большой насыщенности вызывает ощущение угрозы, поэтому применяется в качестве сигнала предупреждения.
Желтый цвет ассоциируется с солнечным светом, действует возбуждающе, способствует впечатлению уюта и чистоты помещения, стимулирует внимание, Однако слишком желтый цвет утомляет глаза; в соединении с черным цветом используется в сигнальной окраске для обеспечения безопасности движения.
Зеленый – цвет травы, деревьев; благоприятно действует на зрение, снижает нервную усталость, способствует бодрому настроению, стимулирует деятельность.
Голубой цвет ассоциируется с небом и водой, снижает возбуждение, успокаивает.
Синий цвет психологически вызывает ощущение спокойствия, создает благоприятную обстановку для умственной деятельности, снижает
ощущение умственного утомления.
Фиолетовый и желто-зеленый цвета снижают напряжение; рекомендуются для помещений, где по характеру деятельности требуются тонкое восприятие и наблюдательность
Белый цвет ассоциируется с чистотой, стимулирует поддержание порядка.
Темные цвета, в том числе черный вызывают пессимистическое настроение, чувство угнетения, тяжести, снижают эффективности освещения; черный цвет весьма подходит для создания контрастов; предметы, окрашенные в черный цвет, кажутся более тяжелыми.
Применение ассоциаций, метафор и аналогий позволяет находить подсказки решения различных инженерных задач. Эти свойства ассоциаций, метафор и аналогий и послужили основой для создания ассоциативных методов активизации творческого мышления.
Сущность метода фокальных объектов состоит в перенесении признаков случайно выбранных объектов на совершенствуемый предмет, что приводит к резкому увеличению числа оригинальных вариантов решения задачи.
Алгоритм метода фокальных объектов определяет следующий по-
рядок действия:
Выбор фокального объекта.
Выбор трех-четырех случайных объектов (их берут наугад из словаря, каталога, журнала и т.д.).
Составление для каждого случайного объекта признаков их характеризующих.
Генерирование идей путем присоединения к фокальному объекту признаков случайных объектов.
Развитие полученных сочетаний путем свободных ассоциаций.
Оценка полученных идей и отбор полезных решений.
Одним из важнейших элементов инженерного мышления является творческое воображение . Воображение часто приводит к фантазии, которая связана с желанием, чтобы произошло то, чего хочется. Использование фантазии для стимулирования новых идей заключается в размышлении над некоторыми фантастическими решениями.
Часто бывает полезно рассмотреть идеальные решения, даже с некоторой долей фантазии, чтобы попытаться найти нужное.
Фантазия является сильным катализатором к поиску новых нешаблонных идей решения задач.
Метод морфологического анализа (МА) является одним из примеров реализации системного подхода в творческом процессе. Метод эффективен при решении конструкторских и технологических задач общего характера: проектирование новых машин и технологического оборудования; поиск новых вариантов технологических процессов; поиск новых применений существующего объекта (изделия); прогнозирование развития технических систем и технологий и др.
Основной принцип метода МА состоит в систематизированном анализе всех возможных вариантов, вытекающих из закономерностей строения (т.е. морфологии) совершенствуемой системы. В рассматриваемом техническом объекте (технической системе, технологическом процессе) выделяется несколько характерных для него структурных или функциональных морфологических признаков (Р). Каждый такой признак может характеризовать какой-то конструктивный режим работы, т.е. параметры или характеристики объекта, от которых зависит достижение основной цели объектом, определяемой его назначением.
Алгоритм метода морфологического анализа следующий:
Формулировка задачи (проблемы).
Составление списка всех морфологических признаков объекта задачи, т.е. всех важных характеристик объекта, его параметров и режимов работы, от которых зависит реализация объектом своей главной цели.
Раскрытие возможных вариантов по каждому морфологическому признаку и составление морфологической матрицы.
Формулировка конкретных решений задачи путем сочетаний вариантов морфологических признаков.
Определение практической ценности полученных вариантов решения задачи и выбор из них наиболее эффективных.
В результате глубоко морфологического анализа объекта можно прийти к новому взгляду на все поле возможных решений, а отсюда недалеко и до принципиально новых направлений усовершенствования конкретного технического устройства или технологического процесса.
Метод контрольных вопросов заключается в поиске решения задачи с помощью специально подготовленного перечня (списка) наводящих вопросов. Расчет делается на то, что при ответе на поставленные вопросы наступает то «озарение», которое приводит к нужной идее решения задачи.
Метод может применяться либо в форме монолога инженера, обращенного к самому себе, либо диалога, например в виде вопросов, задаваемых руководителем «мозгового штурма» членам группы «генераторов идей».
В зависимости от специфики рассматриваемого объекта или целей анализа вопросы могут быть самыми разнообразными – от очень простых до весьма сложных. Обилие вопросов в списке не означает, что ответы на каждый из них должны привести к новой идее. Если в результате поиска решения с помощью этого метода будет получена хотя бы одна интересная идея, можно считать, что вопросник свою задачу выполнил. Некоторые списки содержат не вопросы, а краткие рекомендации, в других есть и то и другое.
Списки контрольных вопросов разрабатываются путем анализа и обобщения опыта работ технологов предприятия. Список – это способ передачи опыта, он позволяет не упустить каких-либо важных моментов, обратить внимание на что-либо, направляет и расширяет возможности поиска решения.
А. И. Половинкин
ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОГО ТВОРЧЕСТВА
2-е издание, переработанное и дополненное
Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебного пособия для студентов высших технических учебных заведений
«МАШИНОСТРОЕНИЕ» 1988
ББК 32.81 П52 УДК 668.512.2 (075.8)
Рецензенты д-р техн. наук проф, Р. Р. Мавлютов, канд. техн. наук А. В. Никитин, канд. психологических наук А. А. Вербицкий Половинкин А. И.
Основы инженерного творчества: Учеб. пособие для студентов втузов.—М.: Машиностроение, 1988. — 368 с.г ил.
ISBN 5-217-00016-3
Даны основные понятия, единые для различных эвристических и машинных методов инженерного творчества (функция технического объекта, функциональная структура, физический принцип действия, техническое решение, критерии развития и др.). Изложены наиболее распространенные эвристические методы: мозговой штурм, метод эвристических приемов, морфо< логический анализ и синтез, функционально-стоимостной анализ, Изложены машинные методы поискового проектирования и конструирования применительно к задачам поиска улучшенных физических принципов действия и технических решений. Весь материал иллюстрирован иа примерах из различных областей техники.
ISBN 5-217-00016-3 Издательство «Машиностроение», 1988
ПРЕДИСЛОВИЕ
В «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1986—1990 годы и на период до 2000 года», утвержденных XXVII съездом КПСС, указана генеральная линия нашей страны — ускорение социально-экономического развития на основе научно-технического прогресса и всесторонней интенсификации. При этом отмечено главное направление работы: «Осуществить коренное повышение технического уровня выпускаемой продукции. Обеспечить создание и освоение производства техники новых поколений, позволяющей многократно повысить производительность труда, улучшить его условия, существенно снизить материальные затраты». Решение этих задач в первую очередь связано с изобретением, разработкой и освоением новых машин, приборов и оборудования, новых технологий и материалов.
Один из главных недостатков в подготовке большинства выпускников инженерных специальностей — неумение самостоятельно ставить новые задачи, неумение решать задачи поиска новых конструкторско-технологических решений на уровне изобретений, обеспечивающих в итоге повышение качества продукции, достижение мирового уровня, всестороннюю интенсификацию и экономию ресурсов. Учебный процесс в основном построен на решении таких теоретических и практических задач, для которых уже имеется готовая постановка задачи, дается способ ее решения в виде четкого алгоритма, имеются примеры решения задач по этому способу, а преподавателю (а часто и студенту) известен ответ. При этом решение задачи часто превращается в рутинную работу, не требующую глубоких творческих размышлений.
В дополнение к приобретению навыков решения таких задач (что выпускник также должен уметь хорошо делать!)будущийспециалист обязан овладетьзнаниями и навыками решения творческих инженерных задач, в которых нет готовой постановки, неизвестен способ решения, нет близких примеров решения аналогичных задач, а преподавателю — неизвестен ответ, обычно имеющий несколько вариантов.
Необходимость восполнения указанного пробела в подготовке специалистов особо выделена в «Основных направлениях перестройки высшего и среднего специального образования в стране», где сказано: «Первоочередная задача — осуществить решительный поворот от массового, валового обучения к усилению индивидуального подхода, развитию творческих способностей будущих специалистов... Процесс формирования инженерных кадров должен быть подчинен развитию у них навыков самостоятельного технического творчества, системного анализа технико-экономических проблем, умения находить эффективные решения».
Введение в вузах дисциплины «Основы инженерного творчества» призвано сыграть ключевую роль в реализации этого директивного указания, а также в перестройке и повышении эффективности их работы. Опыт преподавания такой дисциплины в ряде вузов страны и за рубежом позволяет прогнозировать прогрессивные положительные результаты изучения методов инженерного творчества в увязке с другими дисциплинами и различными видами учебной работы.
Во-первых, резко возрастает доля студентов, работающих увлеченно и самостоятельно, в итоге приобретающих активную позицию и повышенный творческий потенциал — весьма актуальные качества для молодого специалиста. Во-вторых, многократно увеличивается доля курсовых и дипломных проектов, содержащих творческие инженерные решения. В-третьих, возрастает объем интеллектуальной продукции на кафедре в виде авторских свидетельств и патентов на изобретения, сделанных преподавателями и студентами, а также в виде разработанных и реализованных на практике предложений по новым конструкторско-технологическим решениям.
Автор выражает благодарность и признательность Т. П. Бабинцевой, С. А. Генералову, Т. М. Зверевой, С. Г. Колесникову, С. А. Николаеву, Я- Ш. Флейтману, С. А. Фоменкову, оказавшим большую помощь в подготовке рукописи книги.
УСЛОВНЫЕОБОЗНАЧЕНИЯ
АБИЗ — автоматизированный банк инженерных енаний
ИТ — инженерное творчество ИТР — идеальное техническоерешение КПД — коэффициент полезного действия
МА — мозговая атака НТП — научно-технический прогресс
ОС — окружающая среда РЭА — радиоэлектронная аппаратура САПР — система автоматизированного проектирования СДС — синтез допустимой структуры
ТЗ — техническое задание ТИЗ — творческая инженерная задача
ТО — технический объект
ТР — техническое решение
ТФ — техническая функция УПП — универсальноепространство параметров -
ФО — физическая операция
ФП — функция планирования ФПД — физическийпринцип действия
ФС — функциональная структура ФСА — функционально-стоимостной анализ ФТЭ — физико-технический эффект
ФУ — функция управления
ФЭ — функциональный элемент ШЛП — шаг локального поиска
ЭП — эвристический прием
ЭФ — энергетическая функция
ВВЕДЕНИЕ
История развития человечества — это прежде всего история изобретения, создания и совершенствования различных изделий и технологий. Систематическое использование и обработка нашими далекими предками камня и палки, начавшиеся около миллиона лет назад, технология добывания и использования огня, возникшая примерно 100 тыс. лет назад, лук и стрелы с кремниевыми наконечниками, появившиеся около 10 тыс. лет назад, повозка с колесами, выплавка бронзы, водяное колесо, токарный станок, скрипка, паровая машина, пластмассы, телевизор, вычислительная машина, космический аппарат, искусственное сердце и необозримо многое другое — все это результаты удивительного, мучительного и величественного процесса, называемого творчеством.
Тысячи известных и безымянных изобретателей и рационализаторов породили необъятный теперь мир техники и технологии. Этот мир действительно велик. Только в нашей стране номенклатура выпускаемых изделий превышает 20 млн. единиц!
Если говорить в целом об истории инженерного творчества (ИТ), то прежде всего вызывают удивление темпы его роста, которые иллюстрируются табл. 1, где под классом изделий подразумеваются технические объекты, имеющие одинаковые или очень близкие функции (например, класс молотков, болтов, стульев, стиральных машин, токарных станков, паровых турбин и т. д.). При взгляде на табл. 1 невольно возникает вопрос, какие же показатели по числу классов и сложности изделий будут через 100 лет?! Что изменится за этот, с одной стороны, малый промежуток времени (по сравнению со всей историей технического прогресса), а с другой — очень большой, если учесть современные, заметные каждому темпы развития техники, которые продолжают ускоренно возрастать?!
Что Вы, дорогой читатель, запишите в последней строке табл. 1? Каков будет мир техники через 25, 50 и 100 лет?
Цели и задачи настоящей учебной дисциплины — обучение навыкам постановки и решения задач поиска (изобретения) новых, более эффективных конструкторско-технологических решений, в том числе решений, превосходящих мировой уровень. Такие задачи возникают при разработке новых машин, приборов, технологического оборудования и технологий, при выполнении плановых работ по реконструкции и модернизации. Решение проблемы интенсивного развития экономики выдвинуло большое число дополнительных творческих инженерных задач, связанных с экономией трудовых ресурсов, сырья, материалов и энергии.
Другая не менее важная цель изучения дисциплины — подготовка к овладению интенсивной технологией инженерного творчества, основанной на использовании методов ИТ, специально подготовленной информации и вычислительной техники.
Почему с возрастающей настойчивостью ставится вопрос массового обучения молодежи методам ИТ?
В возрасте до 20—25 лет значительно легче формируется творческая личность, осваиваются психология и методология ИТ, нежели после 30 лет. Известно, что революционные идеи создания новых высокоэффективных машин, аппаратов, приборов и технологий чаще выдвигают и разрабатывают люди до 30 лет. Ускорение научно-технического прогресса, экономическая мощь страны находятся в прямой зависимости от ее творческого потенциала, т. е. от числа творчески работающих конструкторов, технологов, ученых. Широкое и активное участие молодежи в инженерном творчестве многократно увеличивает творческий потенциал страны.
Другая причина связана с возрастанием сложности изделий, что было уже показано в табл. 1, в глобально-историческом разрезе. Однако особый интерес вызывают последние десятилетия, в течение которых наблюдаются быстрый рост сложности изделий по числу деталей и используемых физических эффектов, расширение номенклатуры используемых материалов и комплектующих элементов, рост разнообразия самих технических систем, сокращение времени их создания и морального старения, возрастание объема патентной и научно-технической информации и т. д. Эти факторы привели к такому положению, когда объем работ по выбору новых улучшенных проектно-конструкторских решений, т. е. по ИТ, начиная с середины XX века возрастает за каждые 10 лет примерно в 10 раз (при условии сохранения качества разработок). Это по существу не прекращающееся во времени взрывообразное увеличение объема работ все более не согласуется с фактическим ростом числа научных и инженерно-технических работников, призванных обеспечивать технический прогресс. Ниже показано относительное возрастание объема работ по ИТ и максимально возможные темпы роста кадрового потенциала, призванного заниматься ИТ:
Заметим, что среди всех инженеров, техников и рабочих без обучения методам ИТ результативно занимаются ИТ не более 20%, т. е. абсолютный прирост кадрового потенциала в соответствии с приведенными данными нужно умножить на коэффициент 0,1—0,2.
Несоответствие между нормальным ростом объема работ и качеством подготовки инженерных кадров породило ряд негативных последствий, в первую очередь снижение качества многих новых изделий. В ближайшем будущем наиболее высокие темпы технического прогресса (в смысле повышения показателей эффективности изделий) будут в тех странах, в которых объем работ по ИТ в наибольшей мере приближается к нормальному росту. В связи с этим мы сможем справиться с быстро нарастающим объемом работ по ИТ и обеспечить нормальные темпы технического прогресса при выполнении двух условий:
при введении массового обучения ИТ;
при широком использовании вычислительной техники в решении трудоемких и сложных задач ИТ.
Существует мнение, что умение находить, ставить и решать изобретательские и рационализаторские задачи — это «божий дар», которому нельзя обучить. Как относиться к такой точке зрения? Может ли каждый научиться изобретать?
По мнению ряда авторитетных педагогов обучение ИТ заметно повышает творческий потенциал каждого человека. Конечно, у одаренных людей при одинаковом обучении со всеми творческий потенциал остается относительно более высоким. Здесь вполне можно провести аналогию со спортом. Каждого здорового человека можно научить достаточно хорошо играть в волейбол или шахматы, но у спортсменов, имеющих соответствующие природные данные, результаты будут выше.
Если говорить конкретнее, то основная цель обучения заключается в выявлении и раскрытии творческих наклонностей и способностей, о которых многие обучаемые не подозревают (и может быть до конца своей жизни не узнали бы!). Обучение ускоряет приобретение опыта и мастерства одаренными (в смысле ИТ) специалистами. Для людей, имеющих слабые природные задатки, обучение дает в руки инструмент и навыки, которые позволяют успешно решать довольно широкий круг творческих инженерных задач. И еще один нюанс, который лучше передать словами английских проф. М. Тринга и Э. Лейтуэйта: «Как показал наш собственный опыт, лишь немногие из тех, кто наделен талантом изобретателя, умеют развивать талант и пользоваться им» .
Таким образом, необходимость массового обучения молодежи ИТ кроме всего прочего сильно связана с поднятием престижа инженера, популярности инженерного труда и повышением качества обучения во втузе. Дело в том, что многие инженеры, не умея ставить и решать творческие задачи, вынуждены заниматься утомительной и неинтересной рутинной работой. Приобретение навыков постановки и решения творческих инженерных задач значительно увеличит долю творческого труда. Хорошо известно, что с ИТ обычно связаны наиболее яркие страницы внутренней жизни человека, работающего в области техники. Кроме того, ИТ часто приносит еще дополнительное моральное и материальное вознаграждение и глубокое удовлетворение полученным результатом. Поэтому массовое обучение методам ИТ — это один из наиболее действенных путей повышения интереса к инженерному труду.
Ответим на ряд вопросов. Какие в настоящее время существуют методы ИТ? Известно довольно большое число методов, которые условно можно разделить на две группы:
1.Эвристические методы технического творчества, основанные на использовании достаточно четко описанных методик и правил поиска новых технических решений. Эти методы начали разрабатывать еще с древних времен (Сократ, Архимед); особое внимание им уделили выдающиеся ученые XVII—XVIII вв. Ф. Бэкон, Р. Декарт и Г. Лейбниц. Начиная с 40-х гг. нашего столетия резко возросли исследования и разработки по созданию и применению эвристических методов, методик, приемов, принципов, правил и т. п. В настоящее время известно более 100 эвристических методов, методик, подходов и их модификаций.
2.Компьютерные методы поискового конструирования, основанные на использовании ЭВМ в решении творческих инженерных задач. Эти методы начали разрабатывать и применять в 60-х годах. В настоящее время известны десятки различных подходов и методов поискового конструирования.
Обзор эвристических и компьютерных методов ИТ достаточно широко освещен в литературе .
Принимая во внимание довольно большое разнообразие методов ИТ и то, что их число продолжает расти (в силу молодости самой дисциплины), зададимся вопросом: Какому методу или каким методам рекомендуется в первую очередь обучать?
Как считают опытные педагоги и методисты, нецелесообразно обучать какому-либо одному методу или стараться освоить все имеющиеся подходы и методы. Студент или специалист на первом этапе или на первой ступени овладения методами ИТ должен научиться свободно пользоваться небольшим набором из трех — пяти методов. Дальнейшее повышение эффективности деятельности творчески работающего инженера связано с приобретением собственного опыта и расширением набора используемых методов и систем методов решения творческих инженерных задач.
Настоящий курс направлен на изучение трех эвристических методов (методы мозговой атаки, эвристических приемов, морфологического анализа и синтеза) и трех компьютерных методов (методы синтеза технических решений на И—ИЛИ графах, синтеза физических принципов действия, математического программирования — синтеза оптимальных структур и форм). Имеются и другие эффективные методы и системы методов инженерного творчества; метод синектики , метод контрольных вопросов 141], алгоритм решения изобретательских задач 12], специальные объектно-ориентированные компьютерные методы синтеза и анализа конструкторско-технологических решений и др.
Какие принципиальные отличия имеют эвристические методы технического творчества и методы поискового конструирования?
В 1977 г. было проведено условное разделение между эвристическими и компьютерными методами (с помощью первых решают задачи технического творчества, с помощью вторых — задачи поискового конструирования). К задачам технического творчества были традиционно отнесены такие, при которых человек решает поставленную задачу способом «проб и ошибок» или с помощью эвристических методов без использования ЭВМ. К задачам поискового конструирования отнесены такие творческие инженерные задачи, которые человек решает с использованием ЭВМ.
...По определению ЮНЕСКО инженер - это такой работник, который умеет творчески использовать научные знания, проектировать и строить промышленные предприятия, машины и оборудование, разрабатывать (применять) производственные методы, используя различные инструменты (отдельно или в различных комплектах), конструировать эти инструменты, пользоваться ими, хорошо зная принципы их действия и предугадывая их «поведение» в определенных условиях.
Обращает на себя внимание условие творчески использовать знания. Есть немало понятий, интуитивно нами принимаемых, над которыми мы даже не задумываемся. Все знают, что такое время, пространство. Но никто не может дать им строгого определения. Это понятия априорные, принимаемые на веру. Творчество - тоже понятие всем знакомое. Но что можно считать творчеством? Ответ не так прост, как кажется. Попробуйте дать ему определение…
БСЭ определяет творчество как деятельность, порождающую нечто качественно новое, никогда ранее не бывшее. Новизна, оригинальность продукта, результата – необходимый признак творчества. Но еще не достаточный. Мы говорим об инженерном, техническом творчестве. Чаще всего это связывается с открытиями и изобретениями. Изобретение – всегда новое. Но задумаемся:
— Инки в Америке не знали колеса,
— Европейцы не изобрели катамарана.
А если бы кто-то из них сделал такое изобретение не зная, что на другом конце Земли оно уже есть? Было бы творчество? Несомненно. Следовательно, мировая новизна – еще не все. Результат творчества может быть и личностно значим. Особенно ярко это в обучении, освоении наук. Рацпредложение – имеющее новизну в пределах одного предприятия. Но тоже - продукт творчества.
Кстати, почему инки не изобрели колеса, а папуасы изобрели катамаран? У инков практически не было дорог, подходящих для колес, одни джунгли. А у папуасов – твердые пальмовые стволы и примитивные инструменты. Общественная потребность и технологические условия накладывают отпечаток на творчество.
Еще пример. В Англии был запатентован чайник с двумя носиками. Чтобы хозяйка не затруднялась, кому из двух почетных гостей налить первому. В России запатентованы запонки в виде цилиндрика, куда вставлялся огрызок карандаша. По замыслу автора, такие запонки должны носить деловые люди, чтобы их все узнавали. Сейчас такое не запатентуют. Актуальную общественную потребность они не удовлетворяют.
Но не надо путать с полезностью. Уничтожать народы или защищаться - это тоже актуальная общественная потребность. Поэтому создание атомной бомбы - это тоже инженерное творчество, а не антитворчество, как предлагают некоторые ученые.
Не менее важен и еще один аспект - та основа, на которой базируется творческая деятельность. Это общественный опыт человечества, преломленный в знаниях отдельного человека. Чистый, «лабораторный» эксперимент в этой связи предлагает нам мировая литература. Человек терпит бедствие на необитаемом острове. В романе Дефо «Робинзон Крузо» и у Ж.Верна в «Таинственном острове».
Но Крузо - неграмотный матрос с корабля. Определенный минимум: жилище, огонь, земледелие он создал, но для полноценной жизни ему понадобился подарок судьбы – разбитый корабль, а с него – порох и ружья. У инженера Смита в «Таинственном острове» не было ничего, кроме металлического собачьего ошейника. Но он сумел сделать все, вплоть до стекла и нитроглицерина. Совсем другой запас знаний, навыков, умения применять их творчески. Представьте, что на необитаемый остров попал бы современный инженер… Существует также расхожее, но некорректное разделение на творческие и нетворческие деятельности, профессии, результаты. Вернее будет определить творчество какуровень деятельности, возможный в любой профессии. При этом выбор в пользу репродуктивного пути решения задачи, дабы «не изобретать велосипед», тоже является актом творчества.
Но все это так или иначе касается инженерного, профессионального, «взрослого» творчества. А может ли оно быть присуще деятельности студента, тем более школьника? В институте вы не раз услышите мнение, что сначала надо овладеть основами наук, освоить инженерные приемы, вот тогда можно говорить о творчестве. Не раз это будут говорить на младших курсах. А на старших – будут удивляться почему у вас такая лень мысли, нежелание блеснуть оригинальным решением в курсовом и дипломном проекте? А дело все в том, что творческий характер человеческого мышления не в силах отменить ни учебный график, ни самый уважаемый профессор. Творчество для нас естественно как дыхание. Дело лишь в глубине этого процесса, в значимости его продуктов. Учение – это всегда совершение уже кем-то совершенных открытий. Это всегда процесс творчества. Есть расхожее, но неверное мнение, что учитель передает ученику какую-то сумму знаний и получается слепок, копия знаний учителя в памяти ученика. Это невозможно. Информация, сообщаемая учителем, всегда преломляется через личный опыт ученика, какие-либо непонятые места домысливают через фильтр его «представлений». В результате получается знание, лишь в общих чертах отвечающее знаниям обучающего. Но о том, как эффективнее обучаться, мы еще поговорим, а пока попробуем опуститься в глубины психологии творчества, попытаемся разобраться в его механизме.
В философском, обобщенном, освобожденном от частностей смысле процесс творчества часто изображается так (Б.М.Кедров):
Обращает на себя точка разрыва, психолого-познавательный барьер (ППБ), который мы преодолеваем в виде таинственно возникшей догадки, озарения, инсайта. «И случай, бог изобретатель…» (А.С.Пушкин).
Часто связывают это с каким-либо внешним событием, натолкнувшим на решение. Это и порождает легенды об сцепившихся обезьянах, натолкнувших Кекуле на формулу бензола. Или прыгающая крышка чайника – на изобретение паровой машины. Но для этого мозг должен долго и безуспешно работать над решением этой задачи.
Схема эта слишком алгоритмична, практически повторяет структуру любой деятельности. Но так или иначе отметим важнейшую особенность творчества – необходимость выхода за пределы непосредственно данной информации.
Нам интереснее разобраться еще глубже в психологическом механизме творчества. И не лишне будет привести самонаблюдения человека, имя которого носит наш институт – А.Н. Туполева.
«Случается, что мысли и соображения вокруг приходят в гостях, в театре, на улице, и тогда я набрасываю эскизики на всем, что окажется под рукой — на газете, на картине, на коробке от конфет.… Люблю двигаться, обдумывая те или иные технические элементы, связанные с будущей конструкцией, расхаживаю по комнате».
«Когда начинаешь продумывать вопрос, занимаешься поисками, критически просматриваешь то, что было тобой сделано. Сознаешь, ощущаешь, что оно не годится, но уже кажется не приятным, иногда даже физиологически противным. Стремишься отойти от тех решений, которые были, хочется подойти к задаче с какой-то новой, непривычной стороны, взглянуть на нее с новой точки зрения». Обратите внимание: сознательное и бессознательное ощущение, эстетическое неприятие.
Собственно, с таких самонаблюдений ученых и начиналась психология творчества. И сейчас, хотя еще много непонятных и спорных вопросов в ней, представляет интерес схема центрального звена психологического механизма творчества Я.А.Пономарева, который он предложил рассматривать как пять уровней организации мышления:
Образно мы можем сравнить механизм творчества с морем, логическую, осознаваемую поверхность которого мы отчетливо видим и оцениваем, а жемчужины открытий скрываются на дне интуитивного. Наша мысль при решении проблемы не раз проходит через эти уровни. Но есть две общих закономерности:
1. Осознание задачи всегда происходит на уровне более высоком, чем тот, на котором приходит решение.
2. От амплитуды проникновения через уровни зависит глубина творческого процесса и ценность его результатов.
Поэтому не только мировые открытия, но и поиск инженерных компромиссов и в какой-то мере применение готовых решений к новым задачам – это тоже творчество.
Интересно, что независимо от этой схемы, при создании теории решения изобретательских задач Г.С. Альтшуллером выделено пять классов возможных технических изобретений:
1. Мелкие усовершенствования в одном классе ТО, которые, строго говоря, и не являются изобретениями.
2. Изобретения, в которых задача одного класса ТО решается способом, примененным в другом классе ТО. Например, для токарного станка усовершенствование – методом, известным для фрезерных станков.
3. Изобретение, совершаемое в пределах возможностей одной науки.
4. Изобретение, совершаемое на стыке наук.
5. Основополагающие изобретения, приводящие к созданию принципиально новой отрасли техники (лазер, авиация и т.п.)
Но тут же возникает вопрос: а почему именно пять уровней и откуда они, собственно, взялись в нашем мозге?
А дело в том, что эти пять уровней – это видоизмененные пять этапов развития, которые все мы проходили, беря один рубеж за другим, начиная с самого рождения:
1 этап – Решение задачи путём манипуляций с вещами. Структура деятельности во внутреннем плане не дифференцирована
2 этап – Решение задачи путём манипуляций с предметами. Структура деятельности дифференцируется
3 этап – Манипуляция представлениями вещей. Различение процесса и результата
4 этап – Манипуляция представлениями предметов. Найденный путь – основа плана повторных действий. Развивается структура деятельности
5 этап – Тенденции полностью развиваются, действия систематичны, программированы, построение плана предваряется анализом структуры задачи
Все эти этапы вы прошли. У вас были те или иные игрушки, те или иные задачи вставали перед вами. Или – наоборот, не вставали и не было игрушек. У кого-то на этих этапах возник интерес к авиации, своего рода фанатизм. Кто-то логически рассудил – куда легче поступить. То есть у вас может быть разное качество исполнения этих пяти уровней. Могут быть определенные провалы, которые вы компенсируете более сильно развитыми уровнями. В быту это выражается в словах типа: «у него быстро варит котелок», «этот досконально во всем разбирается» и т.д. От этого – разные степени успешности в инженерной деятельности в учебе. Усредненный подход к образованию не дает проявиться оптимальным для каждого человека качествам мышления.
На уровне представлений, полуинтуитивных догадок могут сформироваться понятия, которые логикой не проверяются, но по сути неверные, хоть мы и верим в них.
В институте к ним обычно не возвращаются, как к элементарным, само собой разумеющимся.
Поэтому есть инженеры, которые окончив КАИ, уверены, что самолет способен в буквальном смысле «преодолеть звуковой барьер», и дальше лететь легко и свободно. Хотя это лишь неудачное, но «прилипшее» журналистское выражение.
Или угар компьютеризации, термины типа «диалог с ЭВМ», «делегирование полномочий компьютеру» наводят на устойчивое представление, что с ЭВМ можно общаться. И когда-то она станет умнее нас. Ничего подобного. Общаются люди. Пользователь программы – с разработчиком. И только их общение опосредовано ЭВМ, разнесено во времени и пространстве. Ведь не общаемся мы с телефонной трубкой, хотя можем на нее сердито смотреть, бросить с досадой и т. п. Это кажется неважным, но вспомним Конфуция: «Когда имена неправильны – суждения несоответственны. Когда суждения несоответственны – дела не исполняются».
Так вот, неразвитость у вас тех или иных уровней, разница в стиле решения задач, компенсируется другими, более развитыми качествами. В учебе можно недостаток продуктивного мышления компенсировать памятью (крайний случай – зубрежка). Можно наоборот.Но усредненный подход к обучению в вузе будет наталкивать на мысль, что среди нас есть люди способные и неспособные к инженерному творчеству.
На самом же деле – это навязанные стереотипы. Я назову слова, а вы подумайте, какие ассоциации они у вас вызывают.
- Рабочий (плакат с улицы)
- Начальник (кабинет, секретарша, хам)
- Интеллигент (очкарик)
- Инженер (холодный практик)
- Учёный (чудаковатый профессор)
Вот такие стереотипы и налипли на понятие инженера, инженерного творчества. Вроде бы как неприлично быть поэтом, обладать фантазией, яркостью ассоциаций. Надо быть строгим, логичным, сухим. Это опять «накручено» журналистами. Но ведь вся логика доказательств – это лишь приукрашивание пути, пройденного для получения интуитивного результата.
И все-таки – о способности и неспособности к творчеству.
Творческие способности.
Гальтен считал их наследственными.
Ломброзо считал гениальность психическим расстройством.
Более симпатичная гипотеза, что только творчески работающий мозг нормален.
Можно дать краткий перечень, исходя из схемы процесса творчества.
1. Зоркость в поисках проблемы.
2. Способность к свертыванию мыслительных операций.
3. Перенос опыта (аналогии)
4. Гибкость мышления
5. Дивиргентность мышления
6. Готовность памяти (не объём)
7. Способность к сцеплению и антисцеплению
8. Владение речью, языком
9. Легкость генерирования идей
10. Склонность к риску.
Но если по этому показателю сравнить Туполева и Королева, Туполев получил бы низкую оценку. Скорость и качество не одно и тоже.
Какое полушарие мозга и в какой степени активизировано. Мозг функционально асимметричен: левое – логическое, вербальное; правое – образное, эмоциональное.
В американских технических колледжах в семестре преподается серьезный гуманитарный предмет. Для чего? «Накачивание» только левого приводит к недогрузке правого, а оно в свою очередь тормозит развитие левого. Заставляя работать активно правое полушарие, мы получаем и развитие левого. Поэтому, когда вам говорят о гармоничном развитии, это не пустые назидания. Это – физиологическая необходимость.
Дарвин в конце жизни сказал, что если бы он мог начать жизнь сначала, он бы поставил себе за правило хотя бы полтора часа в день слушать музыку и читать стихи. Это как раз один из эффективных способов развивать ассоциативное мышление (Авангардная живопись, «Аквариум»).
Гибкость ума – это и наличие чувства юмора, умение думать в условиях неопределенности, парадокса. Читайте юмористов, особенно афоризмы.
У человека могут быть разные склонности к профессиям, в зависимости от того, что является предметом его труда (Е.А.Климов):
Человек — человек
Человек — природа
Человек – знаковая система
Человек – техника
Человек – художественный образ
Это можно диагностировать. И исходя из этого, строить свою работу над собой. Соответственно – разные успехи в разных науках. Человек с низкой склонностью к типу «знаковая система» будет испытывать трудности с матанализом, аэродинамикой, теорией упругости и подобными науками. Значит надо компенсировать сложности в этих науках памятью, логикой, решением типовых задач и т.п.
Есть и специальные, эмпирически найденные приемы активизации творчества, так называемые эвристики.
Научно-техническая эрудиция – в первую очередь умение сворачивать и обобщать. Можно выучить ТТХ всех самолетов, а можно запомнить, что у Як-40 взлетная масса – 13 тонн, а у Ил-62 – 160,5. И, знакомясь с описанием нового самолета, мысленно прикидывать его параметры к знакомой машине. Например, узнав, что взлетная масса Су-27 – двадцать пять тонн, можно удивиться, что этот истребитель вдвое тяжелее Як-40, который перевозит тридцать пассажиров.
Выведены общие законы развития техники. Закономерности можно найти и для любых частных ТО, например, самолета. Изучение истории техники со свертыванием информации – благодатный путь для развития технической эрудиции.
Не раз пригодится в вашей деятельности прием анализа, т.е. расчленение на элементы и их связи, выявление наиболее значимых из них. На этом построена теория решения изобретательских задач и созданные на ее базе алгоритмы.
Синтез – установление новых связей между элементами на основе анализа задачи.
Но главное – для успешной творческой деятельности – познать себя, свои развитые качества, неразвитые, найти оптимальные приемы учебы и работы, свободные от внешних стереотипов.
Инженерная профессия и деятельность требуют от неё субъектов, технических специалистов соответствующей подготовки, определённых способностей и творческого мышления. В этой связи инженерное мышление и творчество нуждаются в своем философском осмыслении.
Инженерное мышление – это специальное, профессиональное мышление, направленное на разработку, создание и эксплуатацию новой высокопроизводительной, надёжной, безопасной и эстетической техники, на разработку и внедрение прогрессивной технологии, на повышение качества продукции и уровня организации производства.
Главное в инженерном мышлении – решение конкретных технико-технологических, производственных и организационно-управленческих проблем и задач с помощью технических средств, выдвижение и внедрение инноваций для достижения наиболее экономичных, эффективных и качественных результатов, а также для гуманизации производства и труда, техники и технологии.
В.Г.Горохов считает, что на протяжении веков сформировались три основные особенности инженерного мышления – художественная, практическая (или технологическая) и научная. Он справедливо подчеркивает, что современное инженерное мышление глубоко научно .
А.И.Ракитов, выявивший признаки, отличающие развитое инженерное мышление от прединженерного мышления, пришёл к выводу, что инженерное мышление формируется на машинной основе, как мышление по поводу конструирования, создания машин; оно рационально, выражается в общедоступной форме, имеет тенденцию к формализации и стандартизации, опирается не только на экспериментальную базу, но и на теорию, систематично формируется профессиональными инженерными дисциплинами, экономической рентабельностью. Наконец, инженерное мышление имеет тенденцию к универсализации и распространению на все сферы человеческой жизни .
В структуру инженерного мышления входят рациональный, чувственно-эмоциональный и аксиологический элементы, память, воображение, фантазии, способности, профессиональное самосознание и пр.
Понятно, что рациональную, теоретическую и методологическую его основу составляют знания прежде всего технические, технологические, естественно-научные, инженерные, однако сейчас всё большее и большее место в нём занимают и социально-гуманитарные знания.
Хотелось бы здесь особое внимание обратить на технические способности, которые позволяют инженеру добиться значительных успехов в своей деятельности.
Технические способности – сочетание индивидуально - психологических свойств, которые дают возможность инженеру при благоприятных условиях сравнительно легко и быстро усвоить систему конструкторско-технологических знаний, умений, то есть овладеть одной или несколькими техническими профессиями и добиться значительных успехов в них. Главными компонентами технических способностей, в том числе и инженерных, являются: склонность к технике, технологии и инженерному делу, к техническому творчеству, техническому мышлению; наличие пространственного воображения; техническая наблюдательность, ярко выраженные зрительная и моторная память, точность глазомера; ручная умелость (ловкость) и др.
Инженерное творчество имеет свою специфику, выходит за рамки сугубо технического мышления, которому чаще всего присущи узкий прагматизм, технократизм, асоциальность, а порой и дегуманизированность.
Инженерное творчество – это свободная неалгоритмированная деятельность, которая совершенствует старую технику и технологию и создаёт новые технические и технологические средства, обладающие производственной и социальной значимостью, а также предлагает новые, более прогрессивные формы организации труда и производства.
Надо заметить, что в инженерно-техническом творчестве процесс создания нового технического объекта идёт не от научной идеи к технике, а от технической идеи к техническому решению, а от него – к новому техническому объекту .
В инженерно-техническом творчестве часто выделяют пять этапов.
Первый этап - создание нового технического объекта, формирование проблемной ситуации с одновременным аналитическим осмыслением её структуры субъектом творчества (отражение технической потребности, осознание необходимости нового и недостатков старого, раскрытие конкретных технических противоречий и формулировка технических задач с определённой структурой).
Второй этап - рождение и вынашивание новой технической идеи (нового принципа, новой трансформации и др.).
Третий этап - разработка «идеальной модели», функциональной и структурной схемы будущего технического объекта («идея - образ»).
Четвертый этап - конструирование. Переход от мысленного построения к реальным разработкам - качественный скачок. Поиск реальных форм воплощения нового качества - это создание нового в специфике конкретных условий. С этого этапа идет разрешение противоречий между идеальным и материальным, между теорией и практикой.
Пятый этап - предметное и относительно завершённое воплощение изобретения, усовершенствование или приспособление в новом техническом объекте. Он складывается из трех основных стадий: создание экспериментального образца - испытание в экспериментальных условиях - доработка и изменение на основе данных эксперимента; создание промышленного образца - ограничение производственных условий - доработка на основе полученных данных; серийное или массовое производство - применение в многообразных промышленных условиях - доработка путем устранения недостатков функционирования новых технических средств в разнообразных условиях .
Другими словами, инженерно-техническое творчество выступает как единство экспериментального и теоретического поиска решения технико-технологических проблем и задач.
В.П.Булатов и Е.А.Шаповалов в инженерной деятельности выделяют несколько иные крупные этапы .
Перечислим основные инженерные операции, составляющие в совокупности пять этапов, элементов структуры инженерной деятельности.
На этапе определения потребности инженер составляет представление о ней, формулирует конечную цель деятельности в наиболее общем виде и конкретизирует эту цель путем целеполагания отдельных технических характеристик создаваемого объекта.
На этапе выработки и принятия решения осуществляются его информационная подготовка, выработка вариантов и нахождение оптимального среди них. Истинность найденного решения подвергается проверке путем теоретического анализа, а после изготовления макета или опытного образца – анализом практических результатов комплекса экспериментов над ним. Затем решение принимается инженером. Для того чтобы оно было принято обществом, и технический объект запущен в производство, необходимо еще доказать целесообразность данного решения. Этим заканчивается рассматриваемый этап процесса инженерной деятельности.
На этапе подготовки производства составляется вся техническая документация, необходимая для изготовления технического объекта, а именно, проект и его экономическое, социальное, экологическое и другие обоснования.
На этапе регулирования производства инженерная деятельность связана с функцией технического управления, обеспечения взаимодействия людей и техники в процессе изготовления технического объекта. Как известно, функция управления производством относится в большей степени к экономической, хозяйственной деятельности. Инженер не подменяет хозяйственного руководителя, но в то же время участвует в решении экономических вопросов производства. Этот этап инженерной деятельности – ключевой и очень важен для общества. Именно здесь расходуются людские, материальные, финансовые ресурсы, и общество вправе ожидать высокого конечного результата производства. В материальном производстве как основе жизнедеятельности общества соединяются все виды социальной деятельности, в том числе и инженерная.
На этапе удовлетворения технической потребности инженерная деятельность связана с управлением процессом использования техники. Здесь не только проверяется качество инженерных решений, но и обнаруживаются новые технические потребности. Они составляют исходные данные для повторения цикла инженерной деятельности.
Таковы функции элементов структуры инженерной деятельности. Каждый из них определяет крупные виды разделения труда внутри инженерной профессии. Поэтому структура инженерной профессии в общем виде совпадает с внутренней структурой инженерной деятельности.
Структура инженерной профессии сложна и многообразна. Она детерминируется не только внутренними факторами инженерной деятельности, но и внешними (общественным разделением труда, состоянием технического базиса общества, научно-технической политикой государства, материально-техническим и финансовым обеспечением инженерной деятельности и др.).
Функции профессиональной деятельности инженера, содержание его труда определяются структурой инженерной деятельности. Назовем этот структурный срез инженерной профессии общей структурой, так как количество её элементов не зависит от конкретной технической потребности. Общая структура инженерной профессии состоит из пяти последовательно соединенных элементов, симметричных пяти этапам структуры инженерной деятельности. Это следующие элементы или крупные блоки инженерной профессии: общее проектирование, инженерные исследования и разработки, проектирование и конструирование, производство и строительство, эксплуатация.
Отраслевая структура инженерной профессии основана на общественном разделении труда, определяющем место профессиональной деятельности инженера в народном хозяйстве: отрасль промышленности, строительство, сельское хозяйство, транспорт, наука, здравоохранение, сфера обслуживания и т.п. Технический базис общества определяет структуру инженерных специальностей через конкретный вид техники, на который направлена деятельность инженера, - механическая, измерительная, медицинская, транспортная, бытовая техника, электрические установки, строительные конструкции и т.п.
Исключительно важным результатом инженерно-технического творчества является изобретение. Изобретение – продукт творческой деятельности, в котором на основе научных знаний и технических достижений создаются новые принципы, действия или контролирование технических систем, их отдельных компонентов. Если научное открытие выступает приращением нового знания к существующему, то изобретение является приложением этого знания с целью его практического использования].
Понятно, что речь здесь идет о подлинных, а не мнимых инженерах.
Инженеры, чтобы соответствовать своему центральному месту в современном производстве и по-настоящему профессионально выполнять свои функции, должны иметь творческое мышление и заниматься инновационной деятельностью.
Для повышения творческой активности инженеров предусмотрено их участие в научно - технических конференциях, на которых обсуждаются вопросы состояния и перспективы развития производства, науки, техники, технологии и инженерного дела на современном этапе. Ещё необходимо повысить эффективность работы по организации рационализаторской и изобретательской деятельности, создавать совет молодых специалистов и учёных и др.
В этой связи уместно подчеркнуть, что научно-техническое творчество студентов, целенаправленно организованное в техническом вузе, является важным средством формирования у будущих инженеров творческого мышления, навыков и умений для осуществления инновационной деятельности, для решения сложных технико-технологических, инженерных и производственных проблем и задач в будущей их профессиональной деятельности. Положительный опыт в организации и осуществлении научно-технического творчества студентов имеется у таких уфимских вузов, как УГАТУ и УГНТУ.
Такова самая общая характеристика инженерного мышления и творчества.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ _________________________________________________ А.А.Черный ПРИНЦИПЫ ИНЖЕНЕРНОГО ТВОРЧЕСТВА Учебное пособие Пенза 2005 УДК 687.02/.05 Черный А.А. Принципы инженерного творчества: Учеб. пособие. – Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2005. - 43 с.: библиогр. 14 назв. Изложены принципы инженерного творчества. Рассмотрены сущ- ность и принципы системного подхода к инженерным задачам, методы ак- тивизации инженерного творчества, возможность применения ЭВМ в творческом процессе. Приведены алгоритм решения изобретательских за- дач и схемы описания нового технического решения. Учебное пособие подготовлено в Научно-исследовательском ин- ституте плавки литейных сплавов при Пензенском государственном уни- верситете. Оно может быть использовано в учебном процессе при подго- товке инженеров по специальности «Машины и технология литейного производства», а также инженерно-техническими работниками при выпол- нении научно-исследовательских работ. Рецензенты: Кафедра «Машины и технология литейного производства» Камско- го политехнического института»; А.С.Белоусов, главный металлург ОАО «Пензадизельмаш» © А.А.Черный, 2005 2 ВВЕДЕНИЕ История возникновения и развития человечества – это, прежде всего, история изобретения различных изделий и технологий. Инженерное дело – это творческая техническая деятельность. В ли- тейном производстве имеется огромное количество нерешенных проблем. И поскольку без литых заготовок невозможно сделать многие машины, устройства, приспособления, сооружения, то предстоит решать сложные задачи улучшения качества и свойств отливок, создания новых компози- ционных материалов на основе литья. Оборудование, технологические процессы литейного производства необходимо непрерывно совершенство- вать, заменять более эффективными, безопасными, безвредными, энерго- сберегающими, экономичными разработками на основе новых открытий и изобретений. Чтобы стать изобретателем, нужным производству специалистом, надо научиться инженерному творчеству. По мере включения специалиста в творческий процесс накапливается опыт решения творческих задач. Ин- женер постепенно может стать новатором, крупным производственным деятелем, рационализатором, изобретателем. На основе изобретений многие специалисты защищают кандидат- ские и докторские диссертации. Инженеры-изобретатели становятся уче- ными, обучают изобретательству молодых специалистов. А это способст- вует тому, что количество запатентованных изобретений с каждым годом возрастает. Без изобретений нет новой техники, новых технологий. Поэтому обучение изобретательству дает большой экономический эффект. Запатен- тованные изобретения можно выгодно не только внедрять в производство, но и продавать зарубежным фирмам. Следовательно, инженерное творчество обеспечивает ускорение научно-технического прогресса и экономическое укрепление государства. 3 ХАРАКТЕРИСТИКА ИНЖЕНЕРНОГО ТВОРЧЕСТВА Различают научное, научно-техническое и техническое творчество. Научное творчество удовлетворяет потребности познания окружающего мира, т. е. это творчество в фундаментальных науках, результатом которо- го являются открытия. Открытие - это установление неизвестных ранее объективно су- ществующих закономерностей, свойств и явлений материального мира, вносящих коренные изменения в уровень познания. Научно-техническое творчество заключается в исследовании за- кономерностей известных явлений с целью их использования в практике. В основе этого вида творчества лежат прикладные науки, различного рода отраслевые исследования, в результате которых разрабатываются новые технические и технологические решения. Результатом данного вида твор- ческой деятельности являются преимущественно сложные изобретения. Техническое творчество реализуется в результате инженерной дея- тельности, направленной на разработку новых технических решений на основании известных закономерностей. Результатом технического творче- ства являются простые изобретения, рационализаторские предложения и конструкторские разработки. В качестве основного признака отличия одного показателя, харак- теризующего результат процесса творчества, от другого можно использо- вать степень новизны полученного решения. Промышленный образец – это новое художественно- конструкторское решение изделия, определяющее его внешний вид, соот- ветствующее требованиям технической эстетики, пригодное к осуществле- нию промышленным способом и дающее положительный эффект. Любую инженерную задачу (ИЗ) можно упрощенно представить совокупностью трех компонентов: < ИД, А, Р >, где ИД - исходные данные (материалы, сырье, энергия, информация и т. п.); А - алгоритм решения за- дачи (способ переработки сырья, обработки информации или преобразова- ния энергии, технология изготовления изделий); Р - результат решения за- дачи (конечный продукт). Эти компоненты в зависимости от типа задачи могут быть извест- ными (заданными) или неизвестными (неопределенными). В зависимости от этого все множество инженерных задач можно свести к конечному чис- лу типов задач. Если все компоненты задачи известны, то имеет место обычная инженерная задача. Ко второму типу относятся задачи, в которых неизвестны исходные данные. Это инженерная задача поиска сырья, исходного продукта, источ- 4 ника энергии или информации и т.д. для достижения известной цели из- вестным способом. В третьем типе задач неизвестен способ преобразования исходных данных в конечный результат. Это инженерная задача поиска новой техно- логии переработки сырья, нового способа преобразования энергии или ал- горитма обработки информации, новой конструкции или новой технологии изготовления заданного изделия из конкретных материалов. К четвертому типу относятся задачи, в которых неизвестен конеч- ный результат, т.е. задачи поиска новой модели конструкции, формы, функции, материала и т.д. путем преобразования заданных исходных дан- ных известными способами (технология). Пятый тип – это задачи, в которых известен лишь конечный ре- зультат (продукт, изделие). Это инженерные задачи поиска нового исход- ного сырья и новой технологии для достижения известной цели, создания искусственных конструкций, материалов. В шестом типе задач известными являются только исходные дан- ные. Это инженерные задачи утилизации, эффективного использования ре- зервов и возможностей, превращения вредных явлений в полезные, поиска нового применения известных объектов. К седьмому типу относят задачи, в которых известен лишь способ, явление преобразования. Это задачи практического применения открытий, результатов научных исследований, законов, физических и химических эффектов и явлений. И, наконец, последний тип, когда неизвестен ни один из компонен- тов, относится к новым, пока еще не существующим задачам. Данная классификация инженерных задач позволяет предопреде- лить необходимые методы и средства решения. Если один или два компо- нента неизвестны, то задача может быть отнесена к изобретательским за- дачам. Решение изобретательской задачи немыслимо без сбора, анализа и переработки информации о новейших творческих разработках, о тенден- циях развития соответствующей отрасли техники и конкретного техниче- ского объекта, о существующих и прогнозируемых общественных потреб- ностях, новых научных достижениях и технических возможностях. Одним из решающих факторов научно-технического прогресса яв- ляется трансформация научных знаний и результатов творческой деятель- ности в производственные процессы. 5 СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД В ИНЖЕНЕРНОМ ТВОРЧЕСТВЕ Системой называется такая совокупность элементов, обладающих различными свойствами, параметрами и пространственной структурой, ко- торая обеспечивает выполнение какой-либо единой цели или функции. Система – это совокупность элементов, связанных технологически, конст- руктивно, функционально. Эффективное решение инженерной задачи возможно лишь на ос- нове всестороннего, целостного рассмотрения разрабатываемой системы и ее развития (изменения) в процессе взаимодействия с окружающей средой. Лишь такой системный подход способен привести к подлинно творческим новаторским решениям, вплоть до сложных изобретений и научных от- крытий. Для систем рассматриваются три характерных типа задач. Задача анализа – задана структура системы, необходимо опреде- лить ее функционирование (поведение). Задача синтеза – заданы характер функционирования и другие требования к системе, необходимо определить структуру, которая удовле- творяет постановленным требованиям. Задача «черного ящика» - задана система, структура которой неиз- вестна или частично, определить ее функционирование и, возможно, структуру. В общем случае, для того чтобы любой объект можно было рас- сматривать как систему, необходимо определить его системные характери- стики: функцию, структуру, свойства и связи с окружающей средой. В задачу системного анализа объектов входят: - разработка формализованных моделей, описывающих структуру, функцию и свойства систем; - характеристика иерархического строения систем и взаимосвязей элементов различного уровня; - определение интегральной функции системы на основе функций отдельных элементов; - определение общих свойств системы, исходя из свойств состав- ляющих ее элементов. Системный подход к творческой деятельности ориентирует инже- нера применять научные методы там, где силы воображения и опыта не- достаточно. Такой подход является предпосылкой изобретательской дея- тельности и эффективного проектирования и конструирования, а также по- зволяет отойти от устаревших традиций и шаблонов. С развитием науки появляются новые знания, которые позволяют разработать новые материалы, технические решения и использовать их для 6 создания нового технологического оборудования (объектов техники). Но- вая техника внедряется в производство с целью повышения его эффектив- ности. Отсюда очевидно, что темпы развития науки должны опережать темпы развития техники и производства. Освоение нового изделия или технологического является, как пра- вило, результатом большой предварительной работы, включающей науч- ные исследования, научное прогнозирование, патентный поиск, сравнение с лучшими образцами передовых отечественных предприятий и зарубеж- ных фирм, предварительный расчет экономической эффективности капи- тальных затрат. Наибольший экономический эффект дают новые изделия или технологические процессы, разработанные на основе фундаменталь- ных исследований, принципиально новых научных идей и направлений, технических решений, защищенных охранными документами (авторскими свидетельствами или патентами). Важную роль в повышении эффективности инженерной деятельно- сти и ее творческих результатов при поиске новых технических решений играют знание закономерностей развития технических систем, умение их анализировать и использовать для выявления резервов их развития, опре- деления целесообразности совершенствования или создания принципиаль- но новых технических систем Закономерности развития техники должны помогать находить от- веты на ряд вопросов, которые могут возникать у творчески работающих конструкторов и инженеров, технологов. Это следующие вопросы: Как для определенного класса технических систем и техники в це- лом происходит прогрессивная конструктивная эволюция, т.е. как со вре- менем изменяются функциональная структура, принцип действия и техни- ческое решение? Как со временем изменяются производительность труда и другие критерии прогрессивного развития определенного класса технических сис- тем? Как возрастают со временем потребности и соответствующие им функции технических систем в смысле разнообразия и количественной ха- рактеристики? Как возрастает со временем разнообразие технических систем, имеющих одинаковые или близкие функции, а также разнообразие техни- ческих систем в отрасли? Как возрастает со временем сложность технических систем? Как растут со временем затраты энергии, материалов и информа- ции в расчете на одного человека? Таким образом, инженер, приступая к разработке новой техниче- ской системы, должен, используя диалектический метод и системный под- 7 ход как методическую основу технического творчества, проанализировать динамику развития и обоснованно сформулировать конкретную программу своих действий. Исходя из того, что технический объект рассматривается как сис- тема, системный подход основывается на ряде принципов, раскрывающих его сущность. Рассмотрим некоторые из них. Принцип целостности заключается в признании того, что некото- рые совокупности объектов могут проявлять себя как нечто целое, обла- дающее такими свойствами, которые принадлежат именно всему целому (системе), а его составным частям элементам и подсистемам данной (сис- темы), и позволяют выделить эту совокупность из основного мира, состав- ляющего окружающую среду данной системы. Например, совокупность гладильной подошвы, нагревательного элемента в виде спирали, регулятора температуры, ручки, собранных оп- ределенным образом, образует электрический утюг, который рассматрива- ется не как совокупность деталей, а как нечто целое, самостоятельное, об- ладающее свойствами, отличными от свойств своих частей. Из этого прин- ципа следует важная особенность системного подхода, заключающаяся в требовании не ограничиваться при разработке новых машин, устройств анализом их частей и взаимодействии между ними, а обязательно пости- гать и учитывать свойства системы как целого. Принцип совместимости элементов в системе указывает на то, что система, обладающая определенными системными свойствами, может быть построена не из любых элементов, а только из таких, свойства кото- рых удовлетворяют требованиям совместимости. Это означает, что собст- венные свойства элементов (форма, размеры, контур, поверхность, цвет, физико-механические характеристики и др.) должны быть такими, чтобы обеспечивать взаимодействие их друг с другом как частей единого целого. Принцип структурности заключается в признании того, что эле- менты, из которых создается система, находятся в системе не произвольно, а образуют определенную, характерную для данной системы структуру, описываемую некоторым системообразующим отношением, выражающим взаимосвязь и взаимозависимость между элементами в системе. Принцип нейтрализации дисфункций указывает на то, что в силу своих внутренних свойств или под воздействием внешней среды элементы системы могут приобретать свойства и функции, не соответствующие свойствами и функциям системы в целом. Поэтому при создании новых систем из определенной совокупности элементов с целью обеспечения ус- тойчивости системы необходимо предусматривать «механизмы», на пра- вильные на нейтрализацию дисфункций. 8 Принцип эволюции утверждает, что для различных технических систем характерно явление эволюции, поэтому необходимо использовать эволюцию как мощный инструмент технического творчества и не наносить вред будущему непродуманным вмешательством в эволюционные процес- сы развития. Принцип специализации и интеграции функций указывает на то, что при развитии систем происходят два как бы противоположных и в то же время взаимодополняющих явления, способствующих повышению эффек- тивности системы: с одной стороны, специализация элементов на выпол- нение определенных функций, с другой - сосредоточение родственных функций у определенных элементов, т.е. возникновение интегральных функций и иерархических структур. Принцип лабилизации функций. С развитием системы появляется свойство быстрого изменения и приобретения новых функций при относи- тельной стабильности состава и структуры системы. Принцип адаптации. Техническая система, функционирующая в изменяющейся окружающей среде, должна обладать свойствами адапта- ции, т.е. свойством перестраивать свои структуру, параметры и функцио- нирование с целью удовлетворения потребностей окружающей среды. Необходимость создания адаптивных систем следует из самого факта изменчивости окружающей среды, а возможность адаптации дости- гается вследствие изменения параметров структуры и поведения системы, применения механизмов положительных и отрицательных обратных свя- зей. Принцип изоморфизма указывает на существование изоморфизмов в структуре, функционировании и развитии систем различной субстанци- онной природы. Поиск общих свойств и закономерностей в строении, функционировании и развитии различных систем позволяет использовать их в разработке новой техники и технологии. Принцип полифункциональности заключается в признании поли- функциональности в назначении и поведении технических систем, выте- кающей из возможности существования системы нескольких целей или функций. Принцип комплексности состоит в том, что при разработке новых технических систем целесообразно использовать комплексный подход, за- ключающийся в построении и синтезе разноаспектных моделей одной и той же системы, а также в привлечении к работе представителей разных специальностей с целью полноты охвата всех проблем и аспектов. Принцип итеративности процесса разработки новых технических систем. Необходимость итераций вытекает из следующего: инженер, раз- рабатывая сложную техническую систему, не может охватить все возмож- 9 ные ситуации сразу, поэтому его знание оказывается неполным, нуждаю- щимся в дополнениях, уточнениях, в сравнениях с действительностью для выявления и устранения упущений. Необходимая полнота знания полнота знания и понимания достигается лишь в результате ряда итераций. Принцип учета вероятностных факторов. Любая достаточно сложная техническая система вследствие невозможности проследить все причинно-следственные связи в самой системе и в окружающей ее среде выступает как не вполне детерминированный объект. Отсюда при созда- нии новых технических систем и технологических процессов встает необ- ходимость статистического исследования и вероятностной оценки явле- ний, протекающих в системе и в окружающей среде путем сбора и обра- ботки соответствующих статистических данных. Принцип иерархической декомпозиции заключается в признании от- носительности понятий «система» и «элемент» в том смысле, что всякий элемент может быть рассмотрен как система при переходе к более детали- зированной страте анализа и всякая система может быть рассмотрена как подсистема или элемент более обширной системы. Принцип вариантности указывает на существование различных альтернатив технического решения системы, различных путей достижения одной и той же цели. Отсюда вытекает стремление проанализировать все возможные варианты решений с целью выбора наиболее эффективного. Принцип математизации. Для облегчения анализа и выбора реше- ния при разработке технических систем с помощью количественных оце- нок вариантов целесообразно применять математические методы исследо- вания операций, оптимизации и другой аппарат системного анализа. Принцип имитации заключается в целесообразности построения и программирования на ЭВМ моделей, имитирующих функционирование (поведение) технической системы или ее элементов. В результате такого воспроизведения процессов, протекающих в системе, проверяется пра- вильность принятых решений, заложенных в создаваемом объекте. Системный подход может и должен широко использоваться для решения разнообразных поисковых задач в технике, он предполагает рас- смотрение объекта как системы, имеющей многообразные связи между ее элементами. И в этом его основное отличие от традиционных требований классической науки, которые направляют умственную деятельность на отыскание простых элементарных основ всякого объекта, т.е. требуют све- дения сложного к простому. Системный подход не дает конкретных рекомендаций в поисковой деятельности, но, являясь не очень жестко связанной совокупностью по- знавательных правил, помогает найти общее направление поиска, увидеть задачу более полно и глубоко. 10