Основы инженерного творчества



страница2/9
Дата28.06.2015
Размер1,48 Mb.
1   2   3   4   5   6   7   8   9


Введение

Современное классическое техническое образование, предоставляемое в наших вузах, ориентировано в первую очередь на обучение студентов решению типовых задач, которые возможно встретятся в будущей профессиональной деятельности. Эти задачи могут быть решены путем логического вывода из ранее известных посылок, при этом имеется готовая постановка задачи, известен способ ее решения, а также предпола-гаемый ответ. Однако задачи, возникающие перед инженером, могут носить различный характер. И поэтому, безусловно, необходимое умение решать типовые инженерные задачи должно быть дополнено умением решать задачи инженерные творческие. А для этого необходимо, чтобы будущий специалист, прежде всего, овладел бы системным видением мира, в том числе и мира технических систем, знаниями и навыками, необходимыми специалисту для решения нетиповых, творческих задач. Нельзя сказать, что накопленный на сегодняшний день огромный научно-технический потенциал создавался людьми, не владеющими творческим подходом к решению. Однако, как показывает анализ литературы по рассматриваемому вопросу, творческие инженерные задачи, как правило, находили решение в результате некоего интуитивного озарения, посетившего разработчика.

В настоящее время возникла и активно развивается наука, изучающая методы и способы ускоренного и целенаправленного нахождения оптимальных технических решений при создании сложных технических систем. Одно из названий этой науки – «Методы инженерного творчества». Помочь ознакомиться с этой дисциплиной и призвано данное учебное пособие. Учебное пособие структурировано на 5 глав. В первой главе приводится краткий исторический обзор развития методов технического инженерного творчества и изобретательства, описан применяемый до сих пор метод проб и ошибок, приведены направления его совершенствования и присущие недостатки. Во второй главе представлены различные подходы к классификации стратегий, методов и результатов изобретательского творчества. В 3, 4 и 5-ой главах последовательно освещены методы интуитивного поиска, методы систематизации и методы упорядоченного поиска технических решений.

Учебное пособие построено на основании ряда литературных источников, представленных в списке литературы. Автор учебного пособия не всегда придерживался указания ссылок на первоисточники, чтобы не перегружать текст и не быть привязанным к точному цитированию.

Для того чтобы оживить содержание учебного пособия, в него внесены художественные иллюстрации, специально подготовленные художником Л. В. Горбачевой, которой автор приносит огромную благодарность.

Список аббревиатур

МПиО – метод проб и ошибок;

МА – мозговая атака; мозговой штурм;

ТО – технический объект:

ПКД – проблема, как она дана;

ПКП – проблема как её понимают;

ФСА – функционально-стоимостный анализ;

FDM – фундаментальный метод проектирования Мэтчетта;

ТРИЗ – теория решения изобретательских задач;

АРИЗ – алгоритм решения изобретательских задач;

ИКР – идеальный конечный результат;

ТС – техническая система;

КПД – коэффициент полезного действия;

ВПР – вещественно-полевые ресурсы;

ТП – техническое противоречие;

ФП – физическое противоречие;

РВС – оператор «размер–время–стоимость»;

ММЧ – метод моделирования «маленькими человечками»;

РТВ – курс развития творческого воображения.

1. Предпосылки возникновения методов поиска новых технических решений

1.1. Исторические корни технического творчества и изобретательства

Современное научно-теоретическое мышление стремится проникнуть в сущность изучаемых явлений и процессов. Это возможно при условии целостного подхода к объекту изучения, рассмотрения этого объекта в возникновении и развитии, т. е. применения исторического подхода к его изучению.

Ученые и философы с древних времен пытались определить закономерности творческого мышления. Термин «эвристика», произошедший от легендарного возгласа Архимеда «Эврика!» («Нашел!»), ввел древнегреческий математик Папп Александрийский в III веке н. э. Он обобщил труды античных математиков, рассказал о том, как работал Евклид при поиске мате­матических доказательств. Методы, отличные от чисто логических, Папп объединил под условным названием «эвристика». Его трактат «Искусство решать задачи» можно считать первым специальным методическим пособием, показывающим, как вернее действовать, если задачу нельзя решить с помощью известных математических или логических приемов.

Если рассматривать историю становления эвристики хронологи­чески, то следует отметить, что разработку учения об эвристических методах начал еще древнегреческий философ Сократ (469–399 гг. до н. э.). Он ставил себе цель преподавать не готовую систему знаний, а метод, с помощью которого можно создавать систему. В беседах, дискуссиях со своими собеседниками, ставя наводящие вопросы, он стимулировал пробуждение скрытых (латентных) творческих спо­собностей людей, рождение ими продуктивных идей. Метод называл­ся майотикой Сократа. Дословно это означает «акушерское искус­ство», что достаточно метко выражает суть.

Архимеду (287–212 гг. до н. э.) принадлежит уже подробное учение о методах рассмотрения и решения задач. С помощью упро­щенных представлений (говоря современным языком, моделей) он выдвигал и обосновывал гипотезы, которые затем можно было точно доказать математически. В своем труде «Стомахион» Архимед описал некоторые способы создания новых технических объ­ектов из уже известных элементов.

Таким образом, уже в древности с развитием науки возникли методические сборники о том, как нужно действовать, если задачу заранее нельзя решить с помощью известных математических или логических методов. Последующий упадок античных наук привел к забвению на многие века за­ложенных в прошлом тысячелетии некоторых начал эвристики. Сыграла свою негативную роль церковь, которая препятствовала всему новому, а образ техника, изобретателя, алхимика связывался с действием темных сил. Технические нововведения не только не приветствовались, но и запрещались.

Лишь в XVI–XVII вв. труды Г. Галилея (1564-1642 гг.), Ф. Бэкона (1561–1626 гг.) возродили эвристиче­ские подходы к науке.

В 1250 г. испанский философ Раймунд Луллий спроектировал систему, с помощью которой можно было комбинировать некоторые принципы и основные понятия и тем самым получить все познания, к которым вообще способен человеческий разум. Для комбинирования применялись вращающиеся четырехугольники или окружности, на которые были нанесены буквы, цифры и рисунки. Это позволяло механически или автоматически получать разные комбинации. Метод был чисто спекулятивным, принципы и понятия не были научно обоснованы, а вся методика была поставлена на службу религии.

Вторую систему создал французский философ и математик Рене Декарт (1596–1650). В своем труде «Правила для руководства ума» он предложил метод, с помощью которого все проблемы путем разложения на простые составные части можно свести к математическим, а все математические – к алгебраическим задачам. Для алгебраических задач Декарт хотел разработать универсальный метод решения. Труд остался незаконченным. Такая судьба постигла бы его и сейчас. Бесконечное множество проблем, с которыми сталкивается человек, нельзя решить с помощью универсального алгоритма. И не для всех задач можно дать четкие алгоритмы.

Под влиянием Луллия и Декарта первым, кто попытался описать логику создания основного про­дукта инженерного творчества – изобретения, был выдающийся ученый, основатель Академии наук в Германии, Готфрид Вильгельм Лейбниц (1646–1716 гг.). Он призывал пользоваться разумом так, чтобы «оценивать не только явное, но также и изобретать, откры­вать скрытое». Путь к достижению цели он видел в расчленении всех понятий на некоторые элементарные ячейки, образующие как бы азбуку человеческих мыслей. А дальше в действие вступала ком­бинато-рика: «путем комбинирования немногого можно составить бес­конечное». Всю жизнь работал ученый над усовершенствованием «искусства изобретения», обоснованным им в своей диссертационной работе. Но труд его также полон пробелов.

Однако труды Луллия, Декарта и Лейбница оказались весьма перспективными. Комбинаторика как метод мышления в наше время нашла широкое применение. В 1932 г. Вильгельм Оствальд показал, как полезны могут быть комбинации для получения изобретений. А Фриц Цвикки, американский астроном, родившийся в Швейцарии, назвал этот метод «морфологическим анализом» и применил его сначала для поиска всех возможных классов звезд. Затем разработал несколько новых астрономических приборов и классифицировал все мыслимые принципы построения движителей и двигателей летательных аппаратов. Во Франции практически одновременно А. Молье использовал аналогичный метод.

Значительный вклад в развитие идей эвристики внес Христиан Вольф (1679–1754 гг.), который дал более четкое ее определение, предложил ряд правил искусства изобретательства.

Чешский математик и философ Бернард Больцано (1781– 1848 гг.) создал фундаментальный труд – «Наукоучение». В нем есть большой раздел «Искусство изобретательства» с изложением различ­ных его методов и эвристических правил.

В России теорией эвристики в начале XX века много занимался инженер-патентовед П. К. Энгельмейер. В ряде своих книг он на­стойчиво декларировал возможность создания науки о творчестве, и в частности об изобретательстве. Но он оказался в плену триад формальной аристотелевской логики и творческую лабораторию изобретателя так и не показал.



1.2. Метод проб и ошибок

Несмотря на пред-принимаемые попы-тки исследования правил и методов, ведущих к открытиям, всегда и везде задачи решали, перебирая различные – возможные и невозможные, осуществимые и неосуществимые – варианты. Этот метод называется метод проб и ошибок (МПиО), им повсеместно пользуются и сейчас.

Технология МПиО примитивна. Специалист, решающий задачу, пробует найти решения по схеме: попробуем сделать так...; нет, не получается; тогда сделаем так...; тоже не годится; может быть, так будет лучше?.. Перебрав десятки вариантов, изобретатель нередко находил, в конце концов, приемлемое решение несложной задачи.

Схематически этот метод изображен ниже на рис.1 [1].

Рис. 1. Схема поиска методом "проб и ошибок".

ВИ – вектор психологической инерции; ПК – поисковая концепция

От точки, которую мы назовем "Задача", изобретатель должен попасть в точку "Решение". Где именно находится эта точка, заранее, конечно, неизвестно. Изобретатель создает определенную поисковую концепцию (ПК), т. е. выбирает направление поисков. Начинаются "броски" в выбранном направлении (они условно обозначены стрелками): "А если попробовать так?" А потом становится ясно, что неправильна вся поисковая концепция – поиски идут не в том направлении. Изобретатель возвращается к задаче, выдвигает новую поисковую концепцию и начинает новую серию "бросков". В практике количество попыток обычно намного больше, чем изображено на схеме.

При переборе вариантов безраздельно властвует субъективизм, отсутствуют правила выдвижения идей и критерии их оценки. Правда, по мере развития тех­ники, накопления знаний и опыта изобретатель реже выдвигает нелепые идеи. Он, как правило, представляет себе, что возможно и что невозможно. В процессе поис­ка ему не нужно проверять все возможные варианты – опыт, знания позволяют многие из них заранее оце­нить, принять или отвергнуть. И все-таки далеко не все поддается оценке.

МПиО и сегодня можно использовать для решения простых задач. Но как быть со сложными проблемами, которые требуют рассмотрения и оценки сотен или даже тысяч возможных вариантов? Ведь на их решение могут уйти многие месяцы или годы и безо всяких гарантий на успех. Нередко именно поэтому изобретатель подчас останавливается далеко не на лучшем варианте решения.

Изобретений без признаков яркой творческой мыс­ли многие тысячи. И если, за неимением лучшего, их все-таки внедряют, то часто этим не столько ускоряют, сколько тормозят научно-технический прогресс.

МПиО не для создания изобретений высокого уровня. Даже если кому-то удается найти удачную идею, терпеливо перебрав множество вари­антов или случайно выйдя на правильное решение, то маловероятно, что со следующей задачей изобретатель сумеет справиться на таком же уровне и в приемлемый срок. Большие творческие способности несколько увели­чивают эту вероятность, но в целом и способности не компенсируют недостатков метода проб и ошибок. Не намного облегчает дело так называемый эстафетный механизм нахож­дения сильных решений, при котором последующие по­коления исследователей и изобретателей учитывают отрицательный опыт предшественников и не ищут в заведомо бесперспективных направлениях. Выявляя и отбрасывая все новые подобные направления, исследо­ватели постепенно как бы достраивают пирамиду по­иска до самой вершины.

Хотя с помощью метода проб и ошибок создана вся современная техника, однако до 70–80-гг. XIX века несовершенство метода ничем не компенсировалось. Решение трудных задач растягивалось на десятки лет. Одной и той же проблемой иногда занималось не­сколько поколений изобретателей. Чтобы повысить эффективность творческого поиска, в него стали постепенно вовлекать все больше специалистов, причем самого разного профиля. Зону поиска в таких случаях дробили на небольшие участки, каждым из которых занимался подчас специальный многочисленный коллектив. Так рождались специализированные, узкопрофильные НИИ, КБ с многочисленными подразделениями. С развитием НТР и ростом объемов творческого труда увеличивалось число отраслевых институтов и конструкторских бюро.

Такой, чисто экстенсивный, путь развития не способен удовлетворить уровень и темпы развития техники сегодняшнего дня. В условиях современной экономики столь нерациональная растрата материальных средств, людских ресурсов, их творческого потенциала способна привести лишь к банкротству предприятия.

Некоторые скептики могут возразить и привести факты, свидетельствующие о том, что открытие или изобретение сделано внезапно, по воле случая, безо всякого пере­бора вариантов. Пришла мгновенная догадка – и задача решена. В качестве подтверждения приведут с десяток широко известных, но мало что объясняющих примеров.

...Марилс вынул из бочки со скипидаром случайно упавший ту­да рабочий костюм. Он оказался чистым, без пятен. Благодаря этому в 1870 г. был изобретен способ химической очистки тканей.

...Физик Беккерель случайно открыл радиоактивность, обнаружив, что завернутая в черную бумагу фотопластинка, лежавшая ря­дом с солью урана, оказалась засвеченной.

...Уатта вид кипящего чайника натолкнул на идею паровой машины, а обычная паутина подсказала инженеру Брандту принцип конструкции висячих мостов.

Случайных открытий действительно было, да и сей­час есть, немало, но не бывает случайных открывате­лей! «На случай наталкиваются те, кто его заслу­живает», – прекрасно сформулировал Лагранж. Или, как сказано в биографии Пастера: «Те, кто делает все, чтобы на него натолкнуться».

Эдисону, по его собственному признанию, прихо­дилось работать над одним изобретением в среднем семь лет. По крайней мере треть этого времени уходила на по­иски идеи.

Вот что писал изобретатель Николай Тесла, работав­ший одно время в лаборатории Эдисона: «Если бы Эди­сону понадобилось найти иголку в стоге сена, он не стал бы терять времени на то, чтобы определить наиболее ве­роятное место ее нахождения. Он немедленно с лихора­дочным прилежанием пчелы начал бы осматривать соло­минку за соломинкой, пока не нашел бы предмета своих поисков. Его методы крайне неэффективны: он может за­тратить огромное количество времени и энергии и не до­стигнуть ничего, если только ему не поможет счастливая случайность. Вначале я с печалью наблюдал за его дея­тельностью, понимая, что небольшие теоретические зна­ния и вычисления сэкономили бы ему тридцать процентов труда. Но он питал неподдельное презрение к книжному образованию и математическим знаниям, доверяясь все­цело своему чутью изобретателя и здравому смыслу аме­риканца».

Названные выше открытия и изобретения сделали вовсе не случайные люди, а видные ученые, опытные специалисты, накопившие обширные знания и опыт. Случай лишь ускорил ход их мыслей, сконцентриро­вал их в едином направлении, стал своего рода им­пульсом в создании нового. Но подобное может про­исходить лишь с человеком ищущим, способным такой случай заметить, понять и, наконец, объяснить и сде­лать выводы.

Не нужно забывать, что известные «случайные» от­крытия – лишь малая толика всего огромного количества открытий и изобретений, сделанных на протяжении ис­тории человечества. А основная масса новшеств – ре­зультат постепенного накопления знаний и длительного творческого труда.

Извечный и безостановочный поиск на основе МПиО помог человеку открыть мир тех­ники. Но времена неудержимо меняются. Метод пере­бора вариантов, тысячелетия добросовестно служивший человечеству, стал недостаточно быстрым и эф­фективным. Уже в XIX в. он практически исчерпал свои возможности. А в наш век лавинного потока информа­ции, быстрого развития науки и техники МПиО стал неприемлемым. Основанная на нем тех­нология творческого труда пришла в глубокое противо­речие с требованиями научно-технического прогресса.



Систематизируем ряд "усовершенствований" МПиО:

  1. Увеличение числа "проб", например, с помощью большого числа людей, одновременно работающих над проблемой.

В конце XIX века применение метода проб и ошибок усовершенствовал Эдисон. В его мастерской работало до тысячи человек, поэтому можно было разделить одну техническую проблему на несколько задач и по каждой задаче одновременно вести проверку многих вариантов. Фактически Эдисон изобрел научно-исследовательский институт.

  1. Замена вещественных проб мысленными.

Замена вещественных экспериментов мысленными – большой шаг вперед. Из 100 вариантов 99 или 95 рассматривают мысленно, и только оставшиеся 1–5 вариантов испытывают "в натуре" – это огромный выигрыш в затраченных силах, средствах, времени. Увеличение количества занятых в решении проблемы специалистов – тоже большой шаг вперед в организации технического творчества. Но как можно разделить задачу и чтобы каждый перебирал свои варианты?

Объем знаний, доступных современному изобретателю, настолько велик, что результаты многих проб могут быть предсказаны заранее. Изобретатель может опираться не только на личные знания, но и на необъятную научно-техническую литературу, может консультироваться с другими специалистами. Все это позволяет теоретически оценивать большую часть вариантов, не прибегая к реальным, вещественным опытам. Мысленные эксперименты идут намного быстрее, в этом их основное преимущество. Но мысленные эксперименты субъективны, они не защищены от психологических помех. Кроме того, мысленные эксперименты, в отличие от реальных, как правило, не сопровождаются неожиданными побочными открытиями, обнаружением всевозможных непредвиденных явлений и эффектов.



  1. Увеличение степени фильтрации – главная тенденция исторического развития метода проб и ошибок.

Когда-то варианты решения задач перебирали буквально наугад. Но по мере развития технических знаний формировались представления о том, что в принципе возможно и что невозможно. Сообразуясь с этими представлениями, современный изобретатель фильтрует варианты, отбрасывая то, что кажется ему неудачным. Фильтрация облегчает решение задач, имеющих нормальные, т. е. более или менее привычные, ответы, и резко затрудняет решение задач, требующих нетривиальных, "диких" идей.

  1. Создание т. н. "неалгоритмических методов" (методы мозговой атаки, синектика и др.)

Несмотря на перечисленные направления улучшения работы по МПиО, он обладает рядом недостатков [1]:

    1. при решении творческой задачи по МПиО, пробы осуществляются либо по линии наименьшего сопротивления (по "вектору инерции"), либо (что лучше) "во все стороны";

    2. процесс решения по МПиО плохо управляется человеком, так как зависит от множества случайных и трудноучитываемых факторов;

    3. положительный опыт, полученный при решении задачи не накапливается и не становится широко доступным другим;

    4. за внешнюю простоту МПиО приходится расплачиваться потерями времени, бесконечными пробами и отсутствием гарантии получения решения задачи.

2. Классификация методов поиска новых

технических решений

Существуют различные подходы к классификации методов инженерного творчества. Классификация может основываться на рассмотрении уровня полученных технических решений. Такая классификация была предложена Г. С. Альтшуллером [1] на основе анализа множества опи­саний изобретений. Он разделил процесс творческого поиска на несколько последовательных стадий и сформулировал осуществляемые на каж-дой из них изменения. Таким образом сложилась классификация уровней творчества, одна из ее возможных модификаций представлена в табл. 1.

Поиск начинается с выбора задачи, а затем поисковой концепции (подхода), и это не случайно: очень важен верный выбор задачи в начале пути. При выборе проис­ходит конкретизация задачи. Анализ данных табл. 1 показывает, что от первого к пятому уровню меняется сам характер поиска по всем его стадиям. При этом на первом уровне используется готовое решение почти без выбора, на втором осуществляется выбор, а от третьего к пятому уровню все более сложными становятся вно­симые изменения, качественно меняется их характер. На четвертом уровне создается принципиально новый объект, а на пятом – новая система таких объектов. Таким образом, творческий характер поиска нарастает от одного уровня к другому.

Поясним подробнее содержание и объем работ для различных уровней творчества.



Первый уровень творчества. Объект принципиально не изменяется, остается таким как есть. Изменению подвергаются лишь вспомогательные элементы объекта.

Для первого уровня творчества характерно, что задача и средства ее решения находятся в пределах одной узкой специальности. Как правило, решение не связано с устранением какого-либо явного противоречия.

В общем объеме мирового патентного фонда находится примерно 32 % технических решений, выполненных на первом уровне.

Таблица 1


Содержание стадий творческого поиска на разных его уровнях


Уровни

Стадии творчества


Выбор задачи и поисковой концепции

Сбор и переработка информации

Поиск идеи решения

Разработка и внедрение решения

1


Использованы готовые задача и концепция

Использованы имеющиеся

сведения


Применено готовое

ре­шение


Частично при­менена готовая конструкция (технология, организация)

2

Выбрана одна из нескольких задач при той же

концепции



Собраны све­дения из раз­нородных

источников



Выбрано од­но решение из несколь­ких

Выбрана одна конструкция из нескольких и внедрена

Продолжение табл. 1

Уровни

Стадии творчества


Выбор задачи и поисковой концепции

Сбор и переработка информации

Поиск идеи решения

Разработка и внедрение решения

3

Изменены исходная задача

и концепция



Собрана информация в связи с вносимыми изменениями

Изменено

известное

решение


Изменена исходная конструкция

(или применена по новому) и внедрена



4

Найдены новые задача

и концепция



Получены новые данные, относящиеся к задаче

Найдено новое решение

Создана и внедрена новая конструкция

5

Поставлена новая проблема, найден новый метод

Получены новые данные, относящиеся к проблеме

Найден новый принцип

Создана и внедрена принципиально новая конструкция и изменена вся система, в которую она вошла.
1   2   3   4   5   6   7   8   9


База данных защищена авторским правом ©zubstom.ru 2015
обратиться к администрации

    Главная страница