Основы технического творчества и научных исследований. Учебное пособие

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет»

Ю. В. ПАХОМОВА, Н. В. ОРЛОВА, А. Ю. ОРЛОВ, А. Н. ПАХОМОВ

ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ТВОРЧЕСТВА И НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Утверждено Учёным советом университета в качестве учебного пособия для магистрантов и бакалавров, обучающихся

по направлению 241000 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, биотехнологии и нефтехимии»

Учебное электронное издание комплексного распространения

Тамбов

♦Издательство ФГБОУ ВПО «ТГТУ»♦

2015

1

УДК 54.07(075.8) ББК 4215я73

О-75

Рецензенты:

Доктор педагогических наук, профессор, помощник ректора по УМР ФГБОУ ВПО «ТГТУ»

Е. А. Ракитина

Кандидат технических наук, заместитель начальника ЦЛ ОАО «Пигмент»

А. А.Уколов

О-75 Основы технического творчества и научных исследований [Элек-

тронный ресурс] : учебное пособие / Ю. В. Пахомова, Н. В. Орлова, А. Ю. Орлов, А. Н. Пахомов. – Тамбов : Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2015. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). – Системные требования: ПК не ниже класса Pentium II ; CD-ROM-дисковод 24,2 Mb RAM ; Windows 95/98/XP ; мышь. – Загл. сэкрана. – ISBN 978-5-8265-1419-1.

Рассматриваются основные понятия интеллектуальной собственности, а также правовые аспекты её защиты, методы планирования научных исследований и обработки экспериментальных данных и виды связей между ними. Даны теоретические основы патентоведения, техника физического эксперимента, правила обработки, интерпретации и визуализации экспериментальных данных. Приведены примеры и список литературы.

Предназначено для магистрантов и бакалавров, обучающихся по направлению 241000 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, биотехнологии и нефтехимии».

УДК 54.07(075.8) ББК 4215я73

Все права на размножение и распространение в любой форме остаются за разработчиком. Нелегальное копирование и использование данного продукта запрещено.

2

ВВЕДЕНИЕ

Понятие «наука» в самом общем смысле означает специфическую область человеческой деятельности. Это понятие включает в себя процессы познания и преобразования объективного мира, поиска объективной истины, подлинной связи между предметами и явлениями, точных закономерностей развития природы, общества и мышления. Определяют понятие «наука» и как орудие высшей ориентировки человека в окружающем мире и в самом себе.

Основная задача дисциплины «Основы технического творчества и научных исследований» – повышение квалификации специалистов путём изучения методологии инженерного творчества, психологических аспектов творчества, логики и морфологии технических решений, основ патентоведения и приобретение некоторых практических навыков инженерной творческой деятельности.

Эффективность творческой деятельности обусловливается многими факторами, такими как: 1) удовлетворенность от самого процесса поиска и решения задач (органическая потребность в творчестве); 2) моральные мотивы – желание внести личный вклад в народное хозяйство страны; 3) престижные (честолюбивые) мотивы – желание утвердить себя как личность, увеличить число научных трудов; 4) материальные мотивы – получить авторское вознаграждение или повысить в перспективе зарплату.

Для стимулирования творческой деятельности студентов могут быть учтены в большей или меньшей мере все факторы.

Для начинающих исследователей весьма важно знать не только о роли науки в обществе, но и об основных тенденциях развития современной науки, а именно: дифференциация и интеграция наук, усиление контактов и взаимосвязей наук, математизация наук, улучшение взаимосвязей между наукой и производством, ускоренное развитие естественных наук в соответствии с законом; возникновение науки о самой науке – науковедении.

На данный момент возросла потребность в научных профессионально подготовленных кадрах, и, соответственно, возникла необходимость разностороннего и умелого выявления и отбора из молодежи наиболее талантливых и способных к науке людей.

Вучебном пособии рассматриваются основные понятия интеллектуальной собственности, а также правовые аспекты её защиты, методы планирования и обработки экспериментальных данных и виды связей между ними. Сформулированы основные задачи научных исследований. Подробно рассмотрены методы планирования экспериментов и их логические основы. В связи с ориентированием на аудиторию студентов технического профиля авторы пособия значительное внимание уделяют таким объектам интеллектуальной собственности, как изобретения и полезные модели.

Впособии изложен материал по подготовке студентов бакалавриата к самостоятельной научно-исследовательской работе, в рамках компетентностно-ориентированн- ного подхода, по результатам которой должна быть подготовлена и успешно защищена выпускная квалификационная работа.

Изложенный материал соответствует содержанию дисциплины «Основы технического творчества и научных исследований», предусмотренной ООП по направлению подготовки бакалавров и магистров 241000 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, биотехнологии и нефтехимии». Содержание учебного пособия соответствует современным достижениям науки и техники и позволяет освоить общекультурные и профессиональные компетенции, реализуемые соответствующими дисциплинами, входящими в ООП и предусмотренные ФГОС по направлению подготовки бакалавров и магистров по направлению 241000 «Энерго- и ресурсосберегающие процессы в химической технологии, биотехнологии и нефтехимии».

3

1. ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ТВОРЧЕСТВА

1.1. О РАЗВИТИИ ТЕХНИЧЕСКОГО ТВОРЧЕСТВА

Автором теории решения изобретательских задач (ТРИЗ) и теории развития творческой личности (ТРТЛ) является изобретатель и писатель Генрих Саулович Альтшуллер (псевдоним – Генрих Альтов). Созданию и совершенствованию ТРИЗ, а, в конечном счёте, созданию теории сильного мышления, Г. С. Альтшуллер посвятил свою жизнь.

Над ней Генрих Саулович работал с 1946 по 1999 годы. Он доказал тот факт, что изобретательству можно научиться, познав объективные законы развития технических систем.

Альтшуллер Г. С. разработал алгоритм решения изобретательских задач, носящий название АРИЗ-85В, который содержит следующую последовательность шагов:

−анализ задачи;

−анализ модели задачи;

−определение идеального конечного результата и физического противоречия;

−мобилизация и применение вещественно-полевых ресурсов;

−применение информационного фонда;

−изменение и/или замена задачи;

−анализ способа устранения физического противоречия;

−применение полученного ответа;

−анализ хода решения.

Основной принцип ТРИЗ: технические системы развиваются по объективно существующим законам, эти законы познаваемы, их можно выявить и использовать для сознательного решения изобретательских задач.

Творчество – это процесс человеческой деятельности, создающий качественно новые материальные и духовные ценности. Творчество представляет собой способность человека из материала, доставляемого действительностью, созидать новую реальность.

Виды творчества определяются характером созидательной деятельности. Различают творчество изобретателя, научное творчество, художественное творчество, творчество организатора и др.

Объектами технического творчества являются разнообразные устройства техники, способы получения материалов и обработки сырья, переработки информации и управления.

1.2. МЕТОДЫ ПОИСКА РЕШЕНИЙ

Метод психологической активизации творческих процессов – мозго-

вой штурм. Сегодня известно свыше полусотни различных методов поиска нового.

Мозговой штурм (мозговая атака, брейнсторминг) создан А. Осборном (США) в конце тридцатых годов двадцатого века. Основной идеей метода

4

является отделение во времени процесса генерирования идей от процесса их оценки.

Осборн А. предложил вести поиск в обстановке, когда критика запрещена. Каждая идея, даже шуточная или нелепая, всячески поощряется. Отбирают группу из 6 – 8 человек, склонных к генерированию идей. В группу не включают руководителей. Идеи записываются.

Опыт применения этого метода показал, что за час группа из восьми человек может выдвинуть до 60 предложений.

Мозговой штурм оказывается эффективным тогда, когда ведущий группы имеет большой опыт решения задач, владеет техникой общения. Метод помогает организовать коллективную работу, уменьшить психологическую инерцию членов группы.

Метод психологической активизации творческих процессов – синек-

тика. Этот метод разработал У. Гордон (США) в пятидесятые годы двадцатого века. Синектика основана на мозговом штурме, который ведут профессионалы. Используются приёмы, основанные на различных видах аналогии.

Метод психологической активизации творческих процессов – обрат-

ный штурм. Метод обратного штурма является модификацией мозгового штурма. Целью метода является обнаружение как можно большего числа недостатков конструкции. При анализе размещаются только критические замечания.

Метод психологической активизации творческих процессов – морфо-

логический анализ. Морфологический анализ разработал швейцарский астрофизик Ф. Цвикки в тридцатые годы двадцатого века, который применил метод к решению астрофизических проблем и предсказал существование нейтронных звёзд.

Сущностью метода является стремление систематизировать все варианты структуры объекта. Метод включает следующие шаги:

−выбирается объект;

−составляется список основных характеристик объекта и его частей;

−для каждой характеристики перечисляются её возможные исполнения;

−выбираются наиболее интересные сочетания возможных исполнений. Анализ удобно вести с помощью многомерной таблицы, в которой вы-

бранные характеристики играют роль основных осей. Эту таблицу называют морфологическим ящиком.

Недостатком метода является чрезвычайно большое количество возможных комбинаций. Правил отбора вариантов нет. Исследователь движется наугад.

Изобретательские задачи. При решении технической задачи инженер знает, где взять сведения, необходимые для решения задачи, а также знает методику решения. Примерами технических задач являются следующие

задачи:

–рассчитать погрешность измерительного прибора;

–рассчитать тепловой режим трансформатора в усилителе.

Для качественного изменения техники необходимо решать задачи, средства решения которых ещё не зафиксированы в технической литературе. Эти задачи называются изобретательскими задачами.

5

Примеры изобретательских задач:

–разработать прибор для исследования парашюта;

–создать транспортное средство для доставки груза на Луну;

– создать транспортное средство для доставки человека на Марс с использованием ядерного топлива.

Особенностью изобретательской задачи является неопределённость исходной формулировки.

Уровни изобретений. В зависимости от сложности изобретательских задач различают пять уровней изобретений.

Первый уровень – мельчайшие изобретения, не связанные с устранением противоречий. Задача и средство её решения лежат в пределах одной профессии. Число вариантов, которые необходимо рассмотреть для решения задачи, не более десяти.

Второй уровень – мелкие изобретения, полученные в результате устранения противоречий способами известными в данной отрасли. Меняется только один элемент системы. Необходимо рассмотреть несколько десятков вариантов.

Третий уровень – средние изобретения. Противоречия преодолеваются способами, известными в пределах одной науки. Количество вариантов составляет несколько сотен.

Четвёртый уровень – крупные изобретения. Синтезируется новая техническая система. Средства решения выходят за пределы науки, к которой относится задача.

Пятый уровень – крупнейшие изобретения. Синтезируется принципиально новая техническая система. Число рассмотренных вариантов практически неограниченно.

Для успешного развития техники необходимы изобретения разных уровней. Изобретения третьего, четвертого и пятого уровней серьезно продвигают технику вперед. Соотношение количества изобретений разного уровня характеризует состояние конкретной отрасли техники.

Технические системы представляют собой целостные «организмы». Поэтому попытки улучшения одной части (функции, свойства) системы путём использования известных средств обычно приводят к недопустимому ухудшению других частейсистемы. Вэтомслучаеговорят, чтовозникаетпротиворечие.

1.3. ПРОЦЕСС ТЕХНИЧЕСКОГО ТВОРЧЕСТВА

Схема творческого процесса, разработанная Г. С. Альтшуллером:

I.Аналитическая стадия:

1.Выбор задачи.

2.Определение основного звена задачи.

3.Выявление решающего противоречия.

4.Определение непосредственной причины противоречия.

II.Оперативная стадия:

1.Исследование типичных приёмов решения (прообразов): а) в природе; б) в технике;

6

2.Поиски новых приёмов решения путём изменений: а) в пределах системы; б) во внешней среде;

в) в сопредельных системах. III. Синтетическая стадия:

1.Введение функционально обусловленных изменений в систему.

2.Введение функционально обусловленных изменений в методы использования системы.

3.Проверкаприменимостипринципакрешениюдругихтехническихзадач.

4.Оценка сделанного изобретения.

Становление психологии изобретательского творчества как одного из разделов психологической науки невозможно без широкого применения экспериментального метода. Полученные выводы должны быть проверены не только на материале старых изобретений, но и экспериментально, ибо конечной целью психологии изобретательского творчества является практика: познанные закономерности должны быть использованы при разработке научной методики работы над изобретением.

1.4.СТРУКТУРА ТЕОРИИ РЕШЕНИЯ ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИХ ЗАДАЧ

Всостав ТРИЗ входят:

1)законы развития технических систем (ТС);

2)информационный фонд;

3)вепольный анализ (структурный вещественно-полевой анализ) технических систем;

4)алгоритм решения изобретательских задач – АРИЗ;

5)методы развития творческого воображения.

Информационный фонд состоит из:

−системы стандартов на решение изобретательских задач (типовые решения определённого класса задач);

−технологических эффектов (физических, химических, биологических, математических, в частности, наиболее разработанных из них в настоящее время – геометрических) и таблицы их использования;

−приёмов устранения противоречий и таблицы их применения;

−ресурсов природы и техники и способов их использования.

АРИЗ представляет собой программу (последовательность действий) по выявлению и разрешению противоречий, т.е. решению задач. АРИЗ включает: собственно программу, информационное обеспечение, питающееся из информационного фонда (на рис. 1.1 показано стрелкой), и методы управления психологическими факторами, которые входят составной частью в методы развития творческого воображения. Кроме того, в АРИЗ предусмотрены части, предназначенные для выбора задачи и оценки полученного решения.

Вепольный анализ (структурный вещественно-полевой анализ) позволяет представить структурную модель исходной технической системы, выявить её свойства, с помощью специальных правил преобразовать модель задачи, получив темсамымструктурурешения, котороеустраняетнедостаткиисходнойзадачи.

7

Для развития творческого воображения могут использоваться все элементы ТРИЗ, но основной упор делается на методы развития творческого воображения.

Решение изобретательских задач осуществляется с помощью законов развития технических систем, информационного фонда, вепольного анализа, АРИЗ и, частично, с помощью методов развития творческого воображения.

С помощью ТРИЗ решаются известные и неизвестные типы задач. Известные (стандартные) типы изобретательских задач решаются с использованием информационного фонда, а неизвестные (нестандартные) – применением АРИЗ. По мере накопления опыта решений класс известных типов задач пополняется и структурируется.

В настоящее время разработаны компьютерные программы, основанные на ТРИЗ, обеспечивающих интеллектуальную помощь инженерам и изобретателям при решении технических задач, а также выявлению и прогнозированию аварийных ситуаций и нежелательных явлений.

2.ОСНОВЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1.ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ОРГАНИЗАЦИИ И ОСУЩЕСТВЛЕНИИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЫ

Научное исследование – это есть изучение закономерностей развития явлений объективного мира и их объяснение.

Понятие научного исследования не следует путать с понятием испытания. Под испытанием понимается экспериментальная проверка каких-либо установленных ранее свойств или качеств объекта (эти свойства могут быть установлены, например, ГОСТ, ТУ, нормалями и т.д.).

Исследования могут быть теоретическими и экспериментальными. Теоретическое исследование обладает свойствами всеобщности, не тре-

бует больших затрат труда и средств, его результаты действительны в течение длительного промежутка времени. Правильность теоретического исследования зависит от правильности предпосылок и допущений, положенных в основу исследований.

Изучаемые явления настолько многообразны и сложны, что порой невозможно получить точное теоретическое решение. Теория должна соответствовать практике. Очень часто только эксперимент (научно поставленный опыт) является единственным надёжным способом решения поставленной задачи.

Роль экспериментальных исследований в развитии науки огромна. Они дают исходные данные для дальнейшего развития предшествующей теории или построения новой, позволяют проанализировать правильность теоретических выводов. В большинстве случаев нельзя отделять друг от друга теоретические и экспериментальныеисследования, таккакпочтивсегдаонисвязанымеждусобой.

Исследование, состоящее из теоретической и экспериментальной частей, называется комплексным. По формам организации исследования разделяют на лабораторные, полевые, лабораторно-полевые, полупромышленные, промышленные.

9

Научными исследованиями в нашей стране занимаются научно-иссле- довательские, проектно-конструкторские, технологические институты. НИИ могут быть академическими (входят в систему организации РАН и АН республик), которые занимаются фундаментальными исследованиями, и ведомственными (подчинены соответствующим министерствам, ведомствам), которые занимаются исследованиями прикладного характера, направленными на повышение количества и качества производимой продукции, путём внедрения новой техники, технологии.

Большое значение имеют в государственном масштабе научные исследования, проводимые силами преподавателей, сотрудников и студентов вузов.

Ввузах существуют две формы финансирования научно-исследова- тельских работ:

1)госбюджетная (г/б) работа – за счёт средств государства, отпускаемых университету на конкурсной основе – гранты и научно-технические программы; выполняются в период рабочего дня, продолжительность которого установлена законодательством;

2)хоздоговорные (х/д) работы – выполняются на основе двухсторонних хозрасчётных договоров между вузом и предприятием за счёт средств предприятия.

2.2.ОРГАНИЗАЦИЯ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЫ. ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ НАУЧНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

Вначале любого исследования надо определить цель и выбрать предмет исследования. Выбор цели и предмета исследования должен соответствовать выполнению государственных планов, научно-технических программ, планов предприятий и т.д.

Определив цель и предмет исследования, исследователь должен достаточно полно изучить накопленные до него материалы по изучаемому вопросу

ипроанализировать их критически. Этот этап обычно называют «составление литературного обзора и проведение патентного поиска». На нём должны быть исключены ошибочные предположения и повторные трудозатраты на достижение уже полученных результатов другими исследователями.

На этапе составления рабочей гипотезы исследования (предположения о вероятном развитии явления) устраняются случайные решения, определяется направление исследования и его границы.

На этапе разработки методики и плана исследования пользуются методами материалистической диалектики. Большое значение при этом имеет интуиция исследователя – интеллектуальная способность к чрезвычайно ускоренному процессу логического мышления. Часто интуитивно найденное решение кажется мгновенным, внезапным не только постороннему, но и самому исследователю.

На следующем этапе осуществляется подготовка и проведение экспериментальных исследований. При этом чрезвычайно важно учитывать все обстоятельства получения измерительной информации, которые могут существенно повлиять на результат измерения. Очевидно, что адекватный учёт

10