Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы научно-технического творчества в области нанотехнологий. Учебное пособие.pdf
2. МЕТОДЫ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ТВОРЧЕСТВА
Известно много методов технического творчества, которые различаются по своей эвристической ценности, уровню разработки, общности
применения, чёткости определения. Фонд методов технического творчества постоянно меняется. Существуют методы решения изобретательских
задач, которые со временем становятся стереотипными и могут быть использованы для решения других задач аналогичного типа. Некоторые методы технического творчества имеют жёсткий алг
оритм и становятся методами решения шаблонных технических задач. Чем метод решения изобретательских задач является более общим, тем дольше он сохраняет свои
эвристические свойства [4].
Методы технического творчества должны быть научно обоснованы и
удовлетворять следующим основным требованиям: отражать опыт работы
изобретателей, быть понятными, иметь место в творческом процессе изобретателя. Мето
ды должны иметь единую и чёткую классификацию.
В соответствии с работой [4] классификация методов технического
творчества может основываться на различных признаках:
По признаку общности бывают общие и частные методы изобретательства. Общие методы изобретательства применяются для решения широкого круга изобретательских задач в разных областях техники. К таким
методам можно отнести мето
ды эвристической аналогии, объединения,
инверсии и т.д. К частным методам изобретательства принадлежат методы, предназначенные для решения специальных изобретательских задач
или задач в узкой области техники.
По признаку детерминированности методы делят на эвристические и
алгоритмические. Жёстко детерминированные алгоритмические методы
принципиально непригодны для нахождения решения изобретательской
задачи. Эвристические методы в настоящее вр
емя являются основными
при решении изобретательских задач.
По назначению методы изобретательства, применяемые для оптимизации творческого процесса изобретателя, упрощённо классифицируются
следующим образом.
№
Стадия
творческого процесса
Основные методы
1 Подготовка
2 Замысел
Поиск информации,
выявление общественных потребностей,
прогнозирование, выбор темы
Анализ информации, постановка задачи,
определение поля решения,
выбор средств решения задачи
11
№
Стадия
творческого процесса
Основные методы
Продолжение табл.
3 Поиски решения
Генерирование идей,
апробация идей
Конкретизация и оформление решения,
4 Реализация
опытная проверка решения,
освоение, распространение решения
По уровню сложности методы изобретательства делятся на простые и
сложные. К простым относят способы постановки, решения, реализации
изобретательской задачи, содержащие элементарные операции, применяемые в типовых ситуациях. Например, метод смешения химических веществ.
Сложные методы содержат элементы нескольких простых. Так, метод поэтапной мозговой атаки содержит элементы обратной мозговой атаки,
прямой мозговой атаки, двойно
й мозговой атаки и мозговой атаки экспертов. Простые и сложные методы изобретательства, как правило, применяются для выполнения определённой стадии творческого процесса.
По эвристическому принципу методы решения изобретательских задач можно условно разделить на: методы эвристической аналогии, инверсии и др. Эвристические методы – последовательность действий обработки информации, выполняе
мая с целью поиска более рациональных и но-
вых конструктивных решений.
В литературе под эвристическими методами подразумеваются любые
индуктивные методы решения задач. Известно несколько десятков эвристических методов, использование которых позволяет решать самые различные проблемные задачи, возникающие в человеческой деятельности.
Для эффективного поиска идей часто применяют методы психологической активизации мышления. Эти методы по
зволяют существенно увеличить количество выдвигаемых идей. Но эти методы не пригодны для
решения сложных и нестандартных изобретательских задач. К методам
активизации относят эвристические методы (метод прямого, обратного,
теневого штурма, сенектики, метод аналогии, фокальных объектов) и методы функционально-структурного исследования технических объектов
(метод матриц открытия, морфологический анализ и др.)
. Рассмотрим их
более подробно.
2.1. Эвристические методы решения технических задач
В 60-е годы прошлого века Алексом Осборном был разработан наиболее известный метод решения изобретательских задач, применяемый
при недостатке информации. Этот метод получил название «мозговой
12
штурм» или «мозговая атака» Цель этого метода заключается в выдвижении большего количества идей, в том числе фантастических. Это позволяет избежать инерции мышления при решении творческой задачи. Обычно
при этом методе формируют 2 группы людей (5 – 10 человек): группа «генераторов» идей и группа экспертов. Предварительного обучения участников данный метод не требует. Все выдвинутые идеи фиксируются
ротоколе и направляются группе экспертов для их оценки. Основной
в п
принцип метода – отсутствие критики.
При оценке идей заведомо ошибочные и нереальные отбрасываются.
План действий при проведении мозгового штурма предусматривает
ознакомление участников с правилами мозгового штурма, чёткое формулирование проблемы и представление её в форме, наиболее удобной для
участников, стро
гое выполнение правил мозгового штурма.
Основные этапы мозгового штурма это:
• подготовка (выбирают ведущего и инструктируют участников);
• выдвижение идей (создание идей, их редактирование, оценка и
отбор);
• оценка и отбор идей (выбор критериев оценки, классификация
идей и их развитие).
Каждый метод имеет свои достоинства и недостатки и метод мозгового шту
рма не исключение.
Достоинствами метода являются: простота, универсальность, экономия времени при проведении данного мероприятия. Данный метод позволяет решать технические задачи невысокого уровня сложности.
К недостаткам можно отнести: невозможность решения сложных
технических задач, негарантированно выдвижение сильной идеи, позволяющей решить стоящую перед изобретателем задачу.
Существует огромное количество видов мо
згового штурма – это
прямой (теневой), обратный, комбинированный, индивидуальный, брейнрайтинг и др. Целью обратного мозгового штурма является поиск и критика всех недостатков рассматриваемого объекта. Данный метод может
быть использован при постановке изобретательских задач, составлении
технического задания, экспертизе проектно-конструкторской документации (чертежи, спецификации, схемы, расчёты, пояснительная записка,
инструкции и др.)
[5].
Брейнрайтинг является одной из методик проведения мозгового
штурма. Отличается от обычного мозгового штурма тем, что все идеи выдвигаются не устно, а письменно. Затем происходит обмен записками и
добавление в них идей, возникающих при прочтении записей.
Пример: Сотрудники парфюмерной компании использовали брейн-
райтинг в целях создания и введения инно
ваций, способствующих дальнейшему развитию их бизнеса (сохранение конкурентоспособности продукции). Каждый участник заседания письменно предложил свою идею и
13
обменялся с соседом. Кто-то предлагал совершенствовать существующую
технологию производств, кто-то выдвинул идею создания новых продуктов (шампунь, гель, мыло). Один из представителей объединил несколько
идей в одну и в результате получил новый продукт в одном флаконе
(шампунь-гель, шампунь-кондиционер).
Ещё одним из эвристических методов является метод фокальных
объектов – это по
иск новых идей путём присоединения к исследуемому
объекту свойств или признаков случайных объектов. Применяется при
поиске новых модификаций известных устройств и способов, а также для
тренировки воображения. Метод заключается в перенесении признаков
случайно выбранных объектов на совершенствуемый объект, который
лежит как бы в фокусе переноса и поэтому называется фокальным. Во
зникшие необычные сочетания стараются развить путём свободных ассоциаций [6].
При использовании данного метода необходимо выделить фокальный объект (который необходимо улучшить) и подобрать несколько случайных объектов, характеристики которых можно перенести на фокальный объект и выдвинутые идеи зафиксировать. Затем из зафиксированных
идей выбирают наиболее эффективные, те, которые возможно реализовать.
стоинствами метода являются универсальность, простота его реа-
До
лизации, оригинальность выдвигаемых идей. К недостаткам можно отнести неприменимость метода при решении сложных творческих задач.
Пример: В качестве фокального объекта выбран карманный фонарик, а случайными объектами выступают парашют, очки и валенок.
Для случайных объектов характерны следующие свойства: защита, солнце, мода, тепло, мягк
о, надёжность, раскрытие.
Наложив свойства случайных объектов на фокальный объект, получаем объект с новыми свойствами. Так, карманный фонарик становится
защитным, модным, тёплым, мягким, надёжным и раскрывающимся.
На фоне новых сочетаний появляются новые идеи, такие как фонарик с
подзарядкой от солнечного света, фонарик с электрошоком, фонарик в
виде украшения. В результа
те создаётся фонарик плюс обогреватель, фона-
рик в виде мягкой игрушки, фонарик складной, фонарик ударопрочный [7].
Ещё одним методом генерирования идей является метод синектики,
предложенный У. Гордоном ещё в 50-е гг. XX в. Этот метод является усовершенствованным методом мозгового штурма. Главным отличием метода синектики от мозгового штурма является наличие критики.
К недостатка
м метода можно отнести следующее:
1) не позволяет решать творческие задачи;
2) большое значение играет способность лидера руководить процес-
сом генерирования идей;
3) со временем интенсивность генерирования идей уменьшается.
14
Метод аналогии является методом ассоциативного мышления и используется для генерации идей путём поиска аналогий поставленной задаче. Основная задача метода не количество выдвинутых идей, а нахождение решения рассматриваемой проблемы. Для генерирования идей
формируют небольшую группу из специалистов в данной области, которые при работе перебирают прямую (модель и аналог схож
и), косвенную
(достаточная или неполная) и условную аналогии (когда подобие устанавливается на основании соглашения). При использовании данного метода
требуется специальная и длительная подготовка участников [8].
2.2. Методы функционально-структурного исследования технических объектов
Рассмотрим основные методы функционально-структурного иссле-
дования технических объектов.
Морфологический анализ – это метод перебора всех теоретически
возможных вариантов, основанный на полном исследовании структуры
объекта. Был разработан в 40-е г. ХХ в. швейцарским астрономом
Ф. Цвикки. Морфологический анализ начинается с формулировки проблемы, определения наиболее важных элементов и вариантов их исполнения, по
сле чего из них выбирают оптимальный. При реализации данного
метода выделяют оси – главные характеристики объекта, а затем по каждой оси записывают элементы – всевозможные варианты характеристик.
В основе лежит машинный поиск.
Например, рассматривая проблему запуска автомобильного двигате-
ля в зимних условиях, можно взять в качестве осей:
1 – источники энергии, обеспечивающие подогрев;
особы передачи энергии от источника к двигателю;
2 – сп
3 – способы управления этой передачей.
Элементами для оси 1 могут быть:
– пар;
– работающий двигатель другой машины;
– химический генератор тепла;
– горячая вода;
– аккумулятор.
Имея запись элементов по всем осям и комбинируя сочетания разных
элементов, можно получить весьма большое количество оригинальных
вариантов. В поле зр
ения при этом могут попасть и неожиданные сочета-
ния, которые едва ли пришли на ум «просто так».
Благодаря этому методу Цвикки предсказал существование нейтронных звёзд и чёрных дыр.
Метод матриц разработан в 50-е гг. прошлого века во Франции.
По сути, метод матриц очень близок к морфологическому анализу, но в нём
бходимо строить матрицу открытия. Характеристики, указанные
нео
15
в вертикальных и горизонтальных рядах, могут быть выражены как количественно, так и качественно (ячейка матрицы представляет связь двух
характеристик).
Основные этапы метода: перечисление элементов и их свойств, определение решаемой проблемы и построение матрицы, определение пересечения рядов в целях обнаружения возможных комбинаций, их изучение
и выбор рациональных решений. Этот метод не по
зволяет получить готовое решение изобретательской задачи и чаще всего служит для систематизации имеющихся данных об исследуемом объекте. Применяется преимущественно при решении простых задач.
Десятичные матрицы поиска
Повилейко Р. П. – инженер-исследователь из Новосибирска предложил десятичные матрицы поиска решения, где в горизонтальных и вертикальных рядах пр
иведены, как и в предыдущем методе, качественные показатели исследуемого объекта, которые необходимы при проектировании. Благодаря анализу были выделены 95 основных показателей и
223 приёма, без которых невозможно проектировать различные виды техники. Систематизировав полученную информацию, Повилейко выделил
10 видов показателей и приёмов:
1) геометрические показатели (длина, ширина, высота, площадь, за-
нимаемая ко
нструкцией, объём, форма);
2) физико-механические показатели (вес конструкции и её отдельных узлов и элементов, материалоёмкость, прочность, устойчивость к
коррозии);
3) энергетические показатели (энергосбережение, мощность КПД и др.);
4) конструктивно-технологические показатели (сложность или просто-
та конструкции, жёсткость, технологичность изготовления деталей и др.);
5) надёжность и долговечность (надёжность, долговечность, усто
й-
чивость к вредным воздействиям среды);
6) эксплуатационные показатели (производительность, точность и
качество работы машины);
7) экономические показатели (себестоимость машины и отдельных
её элементов, трудозатраты на производство и эксплуатацию, расходы,
потери и т.д.);
8) степень стандартизации и унификации;
9) безопасность и удобство обслуживания (показатели, связанные с
охраной труда и техникой безопасности, эргон
омикой и инженерной пси-
хологией);
10) показатели, которые придают форму деталям, узлам, машинам
(габариты, пропорциональность, геометрия, гармоничность).
Для данного метода присущи следующие приёмы научнотехнического творчества: аналогия, мультипликация, идеализация, интеграция и др.
16
Изобретатель зачастую при решении творческих задач использует
сходства и подобия, усложнения исследуемых технических систем путём
увеличения их функций, новые материалы и конструкции, изменения
предполагающие объединение, упрощение, совмещение функций исследуемой системы. Все приведённые выше показатели и используемые
приёмы сводят в матрицы, а затем анализируют. Автор метода утверждает, что разработанная им мето
дика эффективна при решении «полярных»
задач (изменение геометрии или функций системы) [27].
2.3. Комбинированные алгоритмические методы
Комбинированные алгоритмические методы применяют при решении изобретательских инженерных задач в разных областях техники.
К ним относят: алгоритм решения изобретательских задач (Г. Альтшуллер), фундаментальный метод проектирования (Э. Мэтчетт), комплексный
метод поиска решений (Б. Голдовский), обобщённый эвристический метод (А. Половинкин), эволюционную инженерию (С. Пушкарев). Данные
методы позволяют, используя некий алгоритм обр
(последовательность действий), найти решение поставленной задачи [9].
Поиск решений с использованием этих методов является системным и
целенаправленным.
Целью фундаментального метода проектирования является обучение
проектировщика соотношению своих мыслей всем аспектам рассматриваемой ситуации. Проектировщик должен уметь мыслить схемами, образами в разных плоскостях. Основой такого мышления по фундаментальному методу п
роектирования являются два определения проектирования,
данные Мэтчеттом:
1) хороший проект – это оптимальное решение, удовлетворяющее
потребности в конкретной области;
2) проектирование – это выявление и разрешение конфликтов в
сложных ситуациях.
Алгоритм работы по данному методу включает в себя исследование
проектной ситуации, определение потребностей, в целях удовлетворения
которых предпринимается проектирование, исследование альтернатив,
выполнение эскиза, оценку эффективно
сти проекта, затрат. Этот метод
использовался в техническом проектировании самых различных объектов.
Комплексный метод поиска решений представляет собой общетехническую методику организации поиска новых решений и имеет вид эвристического алгоритма. Эвристический алгоритм представляет собой
определённую последовательность действий.
Алгоритм решения изобретательских задач (АРИЗ) представляет собой подробное описание последовательности действий, напр
разрешение противоречий и нахождение наилучшего способа решения.
аботки информации
авленных на
17
Поэтому в основе АРИЗ лежат два основных понятия – это противоречия,
описанные выше, и идеальный результат. Упрощённый алгоритм включает в себя несколько этапов. На первом этапе определяют тип задачи.
Так как исследовательские задачи сложнее изобретательских, то важно
уметь переводить один тип задач в другой. Второй этап подразумевает
формулировку противоречий и конечного результата. Напр
имер, администрации магазина самообслуживания необходимо избежать кражи товара.
При решении данной задачи возникает противоречие, которое надо устранить: надо избежать краж, но по закону персонал магазина не имеет право
проверять сумки покупателей. Идеальным решением данной задачи является включение в стоимость товара возможный ущерб от краж. На третьем этапе надо оп
ределиться с ресурсами (существуют специализированные справочники), которые позволят достичь конечного результата. Принято классифицировать ресурсы следующим образом:
9 материально-вещественные (вещества, деньги, оборудование и т.д.);
9 информационные (Интернет, книги, справочники);
9 временные ресурсы;
9 пространственные ресурсы (объём, площадь);
9 энергетические ресурсы (тепловая, электрическая, электромаг-
нитная, атомная эне
ргия, и др.);
9 человеческие (люди, мотивация, каналы восприятия информации:
зрение, осязание, слух, обоняние);
9 другие ресурсы (имидж, культура и др.).
Следующий этап – решение задачи. Альтшуллер Г. С. предложил
40 способов устранения противоречий, включающие простейшие способы
изобретательства (фантазия, эмпатия, аналогия и др.). Основные алгоритмы решения творческих задач:
¾ административное противоречие → тех
ническое противоречие →
→ причины технического противоречия → решение;
¾ административное противоречие → идеальный конечный резуль-
тат → техническое противоречие → причины технического противоречия → условия устранения технического противоречия → результат;
¾ административное противоречие → техническое противоречие →
→ идеальное конечное решение → физическое противоречие → решение;
¾ административное про
тиворечие → идеальное конечное реше-
ние → техническое противоречие → физическое противоречие → решение.
Получив решения задачи, необходимо их проанализировать и выбрать конечный результат с точки зрения достижения идеального результата.
Традиционным методом решения изобретательских задач является
метод проб и ошибок, основанный на изучении всевозможных вариантов.
Данный метод является малоэффективн
ым, так как продолжителен по
времени и затратен. Затратив средства, материалы, человеческие ресурсы,
18
можно ошибиться с выбором пути решения. Основной недостаток данного метода это медленное генерирование идей, для его устранения прибегают к активизации творческого процесса. Однако методы активизации
эффективны только при решении простых изобретательских задач, поэтому в 50-х гг. прошлого века начали разрабатывать научный метод творчества, который назвали «Теория решения и
зобретательских задач» (ТРИЗ).
ТРИЗ позволила исключить проведение огромного количества проб, так как
работает по определённым законам (законы развития технических систем и
творческой личности). Эти законы разработаны, проверены, уточнены путём
анализа научно-технической литературы и патентов. Основной закон развития технических систем базируется на стремлении систем к идеалу. Идеальная техническая система должна выполнять по
лезные функции в нужный момент времени, не иметь затрат и побочных эффектов. Знание законов развития технических систем позволяет решать не только изобретательские задачи, но и прогнозировать появление новых задач.
ТРИЗ позволяет решать нестандартные задачи, тем самым перестраивая стиль мышления исследователя-изобретателя. Альтшуллером Г. С. были сфор
мулированы постулаты теории решения изобретательских задач,
доказывающие разницу между обычным мышлением и мышлением изобретателя:
• техника и технические объекты развиваются, подчиняясь опреде-
лённым законам, решая творческие задачи, необходимо использовать эти
законы;
• любую изобретательскую задачу можно классифицировать;
• при решении сложных творческих задач необходимо выделить и
устранить противоречие, на
ходящееся в глубине задачи.
Когда задачу не удаётся решить и возникает тупиковая ситуация,
прибегают к преобразованию имеющегося неидеального решения, например использовать преобразования по Осборну (объединить, изменить,
модифицировать, применить в другой области), или переоценке ситуации.
Самым надёжным способом выйти из тупиковой ситуации при решении
изобретательских задач является анализ функциональной потребности
исследуемого объ
екта к требованию, которое должно быть обязательно
удовлетворено.
Примеры изобретательских задач
Задача 1
Зимой в средней полосе существует опасность возникновения обледенения электрических проводов, в результате чего может быть нарушена
целостность электролиний. Как бороться с обледенением?
Решение было найдено не сразу и потребовало значительных усилий.
Вариант с механической очисткой проводов был нецелесообразен и от
него сразу отказались. Вариант с нагревом проводов вызывал противоре-
19
чия. Противоречие было устранено путём равномерного размещения ферромагнитных колец вдоль линии. При протекании переменного тока кольца нагревались и обледенения не происходило. Однако нагрев наблюдался
во все времена года. Решение в соответствии с ТРИЗ должно быть идеальным, а предложенный вариант далёк от идеала. Поэтому было предложено делать кольца из магнита с точкой Кюр
ты начинают греться только при температуре ниже 0 °С.
и, равной 0 °С. Такие магни-
Задача 2
Для орошения полей построили водный канал длиной более тысячи
километров, но спустя год канал зарос и скорость течения воды резко
упала, в результате чего посевы не получили воды и погибли. Как возобновить водоснабжение в короткие сроки?
Решение нашли с помощью особых пород рыб, которые питаются
растительностью. Запустили в канал ры
бу толстолобик и белый амур, которые питаются тростником и травой и они в короткий срок очистили
канал.
Задача 3
В начале XIX века инженер занимался проектированием железнодорожного моста, вместо привычных балок предлагалось использовать недавно изобретённые решётчатые фермы, что позволило бы существенно
облегчить конструкцию. Однако методики расчёта таких ферм в то время
не существовало и инженер предложил собственный метод расчётов.
По предложенному методу получалось, что в отдельных элементах конст-
укции вместо ожидаемых сжимающих усилий должны действовать уси-
р
лия растягивающие. Правильность расчётов необходимо было проверить
на макете, но до изобретения необходимых для этого тензометрических
датчиков, преобразующих величину деформации в удобный для измерения сигнал, оставалось ещё четыре десятилетия. Как быть?
Противоречием в этой задаче является датчик напряжений, который
должен быть, чтобы про
верить правильность расчётов, и который ещё не
был изобретён.
Решение: Инженер придумал измерять напряжения на слух. Элементы модели, которые должны были испытывать растягивающие усилия, он
заменил струнами. В ненагруженном состоянии они были настроены в унисон. Затем модель моста стали нагружать. После каждого прибавления нагрузки инженер обходил конструкцию и п
роводил по струнам смычком.
Действующие усилия вычислялись по изменению высоты звука под нагрузкой. Измерения в точности совпали с предварительными расчётами [30].
Задача 4
Путешественники любят делать фото достопримечательностей, природы и населения посещаемой страны, особенно если страна является
экзотической. Фотографы-профессионалы знают, насколько ценными мо-
20