Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы научно-технического творчества в области нанотехнологий. Учебное пособие.pdf
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Тамбовский государственный технический университет»
Е. А. Буракова, А. В. Рухов, Е. Н. Туголуков,
Т. В. Пасько, А. Г. Ткачев
МЕТОДЫ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ТВОРЧЕСТВА
В ОБЛАСТИ НАНОТЕХНОЛОГИЙ
Утверждено Учёным советом университета
в качестве учебного пособия для бакалавров направлений подготовки
15.03.02 «Технологические машины и оборудование»,
28.03.02 «Наноинженерия» всех форм обучения
Учебное электронное издание
комплексного распространения
Тамбов
Издательство ФГБОУ ВО «ТГТУ»
2017
1
УДК 2:37.036.5
ББК Ж60я73
М54
Рецензенты:
Доктор технических наук, профессор,
профессор кафедры КИСМ ФГБОУ ВО «ТГТУ»
С. Я. Егоров
Доктор технических наук, профессор,
заведующий кафедрой математического моделирования
и информационных технологий ФГБОУ ВО «ТГУ им. Г. Р. Державина»
А. А. Арзамасцев
М54 Методы научно-технического творчества в области нанотехно-
логий [Электронный ресурс] : учебное пособие / Е. А. Буракова,
А. В. Рухов, Е. Н. Туголуков, Т. В. Пасько, А. Г. Ткачев. – Тамбов :
Изд-во ФГБОУ ВО «ТГТУ», 2017. – 1 электрон. опт. диск (CDROM). – Системные требования : ПК не ниже класса Pentium II ;
1 Mb ; RAM ; Windows 95/98/XP ; мышь. –
CD-ROM-дисковод
с экрана.
Загл.
BN 978-5-8265-1682-9
IS
Все права на размножение и распространение в любой форме остаются за разработчиком.
ISBN 978-5-8265-1682-9
2
Рассмотрены основные методы активизации творческого мышления
при решении конструкторских, технологических, технических и техникоэкономических задач. Описаны основы правовой защиты полученных
технических решений. Особое внимание уделено планированию факторного эксперимента при проведении научных исследований. Содержит
примеры решения задач в области нанотехнологий, практические работы,
тестовые задания и контрольные вопросы, способствующие более глубокому закреплению из
Предназначено для бакалавров направлений подготовки 15.03.02
«Технологические машины и оборудование», 28.03.02 «Наноинженерия»
всех форм обучения. Издание может быть востребовано магистрантами,
планирующими свою научно-исследовательскую деятельность.
Нелегальное копирование и использование данного продукта запрещено.
21,
чаемого материала.
у
УДК 2:37.036.5
ББК Ж60я73
© Федеральное государственное бюджетное
образовательное учреждение высшего образования
«Тамбовский государственный технический
университет» (ФГБОУ ВО «ТГТУ»), 2017
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………….. 5
1. НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ТВОРЧЕСТВО И ОСНОВЫ
РЕШЕНИЯ ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИХ ЗАДАЧ ...................................... 5
1.1. Роль научно-технического творчества в общественном
прогрессе ………………………………………………………….. 5
1.2. Организационно-экономические основы технического
творчества ........................................................................................ 7
1.3. Основы теории решения изобретательских задач ....................... 9
2. МЕТОДЫ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ТВОРЧЕСТВА .............. 11
2.1. Эвристические методы решения технических задач ................... 12
2.2. Методы функционально-структурного исследования
технических объектов ..................................................................... 15
2.3. Комбинированные алгоритмические методы .............................. 17
3. ОСНОВЫ П
ЛАНИРОВАНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА ............................ 23
3.1. Методы исследования и планирование эксперимента ................ 23
3.2. Виды параметров оптимизации и требования к ним ................... 29
3.3. Матрица планирования эксперимента .......................................... 31
3.4. Определение коэффициентов регрессионного уравнения .......... 34
3.5. Проверка однородности дисперсий и воспроизводимости
эксперимента ................................................................................... 35
3.6. Математическая модель исследуемого процесса.......................... 37
4. ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ........................................................... 38
4.1. Пример решения задач на тему «Полный факторный
эксперимент» ................................................................................... 38
4.2. Пример решения задач на тему «Др
обный факторный
эксперимент» ................................................................................... 43
4.3. Проверка и закрепление полученных знаний .............................. 49
Контрольная работа № 1 ....................................................................... 49
Контрольная работа № 2 ....................................................................... 53
3
5. ИЗОБРЕТАТЕЛЬСТВО И ПАТЕНТОВЕДЕНИЕ .............................. 56
5.1. Объекты интеллектуальной собственности и их правовая
защита .............................................................................................. 58
Задачи на тему «Защита интеллектуальной собственности» ............ 63
Практическая работа № 1 ...................................................................... 66
Практическая работа № 2 ...................................................................... 66
Практическая работа № 3 ...................................................................... 68
Практическая работа № 4 ...................................................................... 71
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ..................................................................... 72
ЗАКЛЮЧЕНИЕ …………………………………………………………… 74
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ .................................. 75
ПРИЛОЖЕНИЯ …………………………………………………………... 77
Приложение 1 ......................................................................................... 77
Приложение 2 ........................................................................................ 78
Приложение 3 ........................................................................................ 79
4
ВВЕДЕНИЕ
Данное учебное пособие предназначено для изучения теоретического
материала по дисциплине «Методы научно-технического творчества».
В данном пособии рассмотрены основные типы изобретательских задач,
методы активизации творческого мышления. Особое внимание уделено
основам планирования эксперимента (примеры моделирования процессов
в области нанотехнологий), обработке экспериментальных данных, правовой защите объектов интеллектуальной собственности.
Процесс изучения дисциплины «Методы научно-тех
нического творчества» направлен на формирование у студентов общекультурных компетенций ОК-3, ОК-8, ОК-14. В результате изучения дисциплины студент
должен знать основные принципы планирования экспериментов, основные методы научно-технического творчества, уметь проводить обработку
результатов эксперимента, составлять планы отсеивающего эксперимента,
решать инженерные задачи на творческом уровне, владеть способами реализации по
лного и дробного факторного эксперимента, основами патен-
тования объектов интеллектуальной деятельности.
1. НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ТВОРЧЕСТВО И ОСНОВЫ РЕШЕНИЯ
ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИХ ЗАДАЧ
1.1. Роль научно-технического творчества в общественном прогрессе
Наука и техника являются основой жизни современного человека,
без них невозможно представить его существование в окружающем мире.
Их эволюция определяет развитие любого экономического субъекта,
в том числе и государства. Техника и наука нераздельны, так как техника
задаёт условия для развития науки, а наука – для развития техники.
Наука – это человеческая деятельность, направленная на по
знаний. А техника – это технические средства, разработанные и изготовленные человеком для осуществления какой-либо деятельности. К технике относят совокупность технических средств, а также знаний, методов,
способов, используемых при создании различных устройств.
Перед человеком постоянно возникают проблемы, вызванные технологическим развитием (генная инженерия, компьютерная техника, нанотехнологии и др.)
, которые требуют выявления новых механизмов и зако-
нов взаимодействия природы и человека.
Все знания и производственный опыт, накопленные человечеством
за время его существования, реализованы в технике.
Сегодня с помощью техники люди рождаются, умирают, воюют, общаются, работают, отдыхают, техника обуславливает образ жизни человека. Исторически человек формировался и развивался, «во
лучение
оружившись»
5
техникой. С создания техники началось становление человека, т.е. техника не просто способ человеческой деятельности, но и способ человеческого бытия [1].
Развитие техники не представляется возможным без творчества –
деятельности, направленной на создание чего-то нового, позволяющего
решать проблемы и удовлетворять потребности человечества.
Обычно творческий процесс включает в себя три основных этапа:
рмулирование проблемы, её исследование и создание идей. Правильная
фо
формулировка проблемы позволяет быстрее её решить. Получение информации о рассматриваемой проблеме на этапе исследования даёт возможность учитывать имеющийся опыт и наблюдения при решении задач
такого типа. А третий этап характеризуется выдвижением идей, направленных на решение стоящей задачи. Благодаря творчеству почти два миллиона лет совершенст
вуются орудия труда (грубо обработанный камень–
колесо–паровая машина–радио–робот) [17, 20].
В развитии техники выделяют: инструментальный, машинный, автоматизированный, информационный и виртуальный этапы.
Для инструментального этапа характерно использование ручных
орудий (палки, камни и др.). Техники в прямом значении этого слова не
было при первобытно-общинном ст
рое.
Машинный этап связан с появлением машинного труда (появление
ремесленников, первых мануфактур, фабрик). Открытие силы пара привело к быстрому развитию сталелитейной промышленности, текстильного
производства и других отраслей экономики. Появление машин позволило
повысить производительность труда. Центр тяжести технологического
процесса постепенно смещается в сторону машины.
Для автоматизированного этапа развития техники характерна автоматизация труда. По
явление конвейеров позволило повысить производительность труда в 8 раз (заводы Форда), а создание компьютера резко
увеличило производительность умственного труда. Однако при автоматизации производства за человеком сохранялись функции контроля производства.
Информационный этап связан с появлением информационных систем. Человек-оператор благодаря информационным системам снял с себя
ответственность за неко
торые процессы производства.
Для виртуального этапа характерен процесс компьютеризации систем общественного производства. Благодаря сотовой связи, телевидению
и другим видам формируется сеть Интернет и начинается процесс информатизации и виртуализации. Виртуальная реальность как технология появилась в середине XX в. на стыке исследований в области трёхмерной
компьютерной графики, искусственного интеллекта и человеко-машин-
го интерфейса [2].
но
6
На всех этапах развития техники создание новых её образцов происходило благодаря наличию творческих способностей и умению решать
технические и изобретательские задачи.
Изобретательские задачи отличаются от технических наличием противоречий. Под изобретательской задачей подразумевается задача с чётко
сформулированной целью, для которой простое решение неприменимо.
Изобретательские задачи отличаются от технических, инженерных и конструкторски
х задач. При решении технических задач (например, рассчитывая оборудование, используют нормативные методы) не приходится
преодолевать противоречий. Существуют административные, технические и физические противоречия. Так, при постановке изобретательской
задачи всегда возникает административное противоречие (когда надо чтото сделать, а как этого достичь – неизвестно). В случае когда изобретатель
улучшает один пар
аметр технической системы, но одновременно с этим
ухудшает другой – возникает техническое противоречие.
Например, при полировании оптических стёкол необходимо через
вращающийся полировальник подавать охлаждающую жидкость. Сквозь
отверстия подавали жидкость, однако поверхность с отверстиями полирует хуже сплошной. Техническим противоречием является конфликт охлаждающей способности полировальника с отверстиями с его способностью
полировать стекло. Ко
гда к одной и той же части системы предъявляются
взаимно противоположные требования называют физическими противоречиями. При разрешении противоречия необходимо заменить противоречивые свойства простыми физическими преобразованиями. Например,
использовать переходные свойства вещества – для изготовления полировальника использовать лёд, наполненный абразивными частицами [3].
В результате научно-технического творчества разрабатываются и со-
вершенствуются р
азличные технические объекты. В качестве технического объекта могут выступать машина, элемент, устройство. Но техническое
творчество отличается от технической науки. Для первого характерно
создание технического объекта без теоретического обоснования (цель
решить стоящую задачу), а для технической науки характерен исследовательский характер.
1.2. Организационно-экономические основы технического творчества
Основную роль в повышении эффективности развития экономики
страны играет научно-технический прогресс, который способствует внедрению в производство новой передовой техники, новых материалов, прогрессивных безотходных, ресурсо- и энергосберегающих технологий.
Создание оборудования, материалов, устройств, способных конкурировать по своим характеристикам с лучшими зарубежными образцами, напрямую связано с изобретательством и рационализацией.
7
Изобретательство – это творческий процесс, способствующий новому решению задачи в любой области техники, культуры, обороны, дающий положительный эффект. Рационализация – это организация какойнибудь деятельности наиболее целесообразными, рациональными способами (совершенствование, улучшение).
Технические изобретения, обладающие новизной, эффективностью,
могут коренным образом изменить производство, привести к интенсивному развитию некоторых областей техники. Так, изо
бретения, сделанные
советскими учёными, позволили СССР занять ведущие позиции в мире в
авиастроении, ядерной энергетике, радиоэлектронике и др. В настоящее
время борьба за энерго- и ресурсосбережение невозможна без технического творчества. Однако за последние 20 лет наблюдается снижение творческой активности, большинство нововведений на современных предприятиях заимствованы с запада, так как де
шевле купить за рубежом, нежели
проводить научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы.
Большинство научно-исследовательских институтов, созданных при градообразующих предприятиях, закрылись в 90-х гг. прошлого века, а на
создание новых необходимы значительные капиталовложения.
В сегодняшних условиях ускоренный рост экономики невозможен
без инноваций, которые выступают залогом конкурентоспособности экономики страны в мировы
х масштабах. Определяющим условием инновационного развития экономики является эффективное функционирование
института интеллектуальной собственности. В России Федеральный институт промышленной собственности является организацией, осуществляющей юридически значимые действия, связанные с правовой охраной и
защитой объектов интеллектуальной деятельности (изобретений, полезных моделей, товарных знаков).
Государство, осознавая важность изобретений для экономики РФ,
уделяет о
громное внимание изобретательству и рационализаторству, которые невозможны без творчества. Так, в 2011 г. Правительством РФ была
утверждена стратегия инновационного развития Российской Федерации.
Стратегия направлена на увеличение коэффициента изобретательской
активности, который должен увеличиться до 2020 г. на 50%. Для этого
должна быть сформирована среда, способствующая созданию высокотехнологичной продукции, массовому техническому творчеству и изобр
етательству. Для возрождения системы рационализаторства и изобретательства необходимо возобновить заинтересованность сотрудников различных
организаций в развитии творческой активности путём их материального и
морального стимулирования. Важной задачей является научить новое поколение молодёжи творческому поиску, развить предприимчивость.
Формой материального поощрения работников за научно-техни-
ческое творчество может быть: награждение ценным по
дарком, премия,
оказание материальной помощи. Как следствие, из-за непродуманной по-
8
литики государства в сфере интеллектуальной собственности в России
в среднем используется всего 8…10% инновационных идей и проектов,
тогда как в США – 62%, а в Японии – 95%. Доля РФ на мировом рынке
наукоёмкой продукции составляет всего 0,3%, что примерно в 100 раз
меньше долей США и Японии [33].
1.3. Основы теории решения изобретательских задач
Чем труднее изобретательская задача, тем больше вариантов приходится перебирать, чтобы найти решение. Существует ряд методов активизации творческого поиска, целью которых является интенсификация генерирования оригинальных идей.
При традиционном поиске решений творческой задачи ярко выражено влияние психологической инерции, которая может быть вызвана боязнью высказать своё мнение и оказаться о
смеянным и неуверенностью
в себе при решении задачи, касающейся незнакомой области знания.
Как показывает практика, наиболее ценными оказываются именно «фантастические» идеи, кажущиеся на первый взгляд абсурдными. Наибольшей
известностью пользуется мозговой штурм (А. Осборн, США – 1940-е годы).
Он заметил, что одни люди более склонны к генерированию идей, другие – к их критическо
му анализу. При обычных обсуждениях «фантазёры» и критики оказываются вместе и мешают друг другу. Осборн предложил разделить этапы генерирования и анализа идей.
Метод фокальных объектов состоит в том, что признаки нескольких
случайно выбранных объектов переносят на совершенствуемый объект,
в результате чего получаются необычные сочетания, позволяющие также
преодолевать психологическую инер
цию.
Так, если случайным объектом взят кот, а совершенствуемым (фокальным) объектом карандаш, то получаются сочетания типа «полосатый
карандаш», «пушистый карандаш», «домашний карандаш». Рассматривая
эти сочетания, порою удаётся прийти к оригинальным решениям.
В 40-е годы ХХ века швейцарским астрономом Ф. Цвикки был разработан морфологический анализ, реализация которого будет рассмотрена
более по
дробно ниже.
Метод контрольных вопросов – это поиск решения творческой задачи, направляется списками наводящих вопросов. Существует несколько
различных списков. Типичные вопросы:
– что если взять другой материал?
– что если сделать наоборот?
– что если изменить форму объекта?
Синектика. Это наиболее сильный из известных методов. Он разра-
ботан У. Гордоном в 1
960 г. в США. В основу синектики положен мозго-
вой штурм, но этот штурм осуществляет профессиональная или полупро-
9
фессиональная группа, которая от штурма к штурму накапливает опыт
решения задач.
При синектическом штурме допускаются элементы критики.
Используются четыре специальных приёма, основанных на:
1) прямой аналогии (как решаются задачи, похожие на данную?);
2) личной аналогии (попробуйте войти в образ данного в задаче
объекта и попытайтесь рассуждать с этой точки зрения);
3) символическ
ой аналогии (дайте в двух словах образное определе-
ние сути задачи);
4) фантастической аналогии (как эту задачу решили бы сказочные
персонажи?).
Методы активизации поиска универсальны, их можно применять для
решения любых задач – научных, технических, организационных и др.
Однако при решении задач высокого уровня число вариантов вырастает
до десятков и сотен. В эт
ом случае рассмотренные методы оказываются
малоэффективными.
По степени трудности задачи можно разделить на пять уровней:
I-й уровень – применение средств, предназначенных для решения по-
ставленной задачи.
Пример: в муфельной печи происходит термическое разложение солей в целях получения катализатора синтеза углеродных нанотрубок,
однако времени, выделенного на эту стадию, не достаточно для фор
мирования эффективной каталитической системы выгорания присутствующей
органики. Что нужно сделать, чтобы интенсифицировать термическое
разложение, если увеличивать время присутствия обрабатываемой системы в печи нельзя? Ответ очевиден: нужно подать в зону горения кислород. В задачах 1-го уровня исследуемый объект не изменяется (усиливается какой-либо элемент объекта путём перебор
а очевидных вариантов).
2-й уровень – допускает незначительные изменения объекта (путём
перебора нескольких десятков вариантов).
3-й уровень – характеризуется значительным изменением объекта
(более ста вариантов).
4-й уровень – объект изменяется полностью (более 1000 вариантов).
5-й уровень – возможно изменение всей технической системы, в ко-
торую входит исследуемый объект, и даже создание совершенно новой.
Задачи 3-го ур
овня отличаются тем, что решения необходимо искать
в других отраслях техники или на стыке различных отраслей. Задачи
высших уровней характеризуются решениями, полученными на основе
научных исследований с использованием малоизученных физических
и химических эффектов и явлений. По сути, техническое решение 1-го уровня не является изобретением, так как в нём не преод
олевается противо-
речие.
10