Противоречия в научных системах
Представляя технический объект как систему, нужно в первую очередь рассмотреть в нем такие свойства, которые не выходят из «составляющих алгебры» свойств элементов (например, биметаллическая пластина при нагреве сгибается, что не свойственное монометаллическим элементам).
Любая система является комплексом взаимодействий, с помощью которых она воспринимается как что-то определенное и целостное. Всякое взаимодействие является процессом обмена систем веществом, энергией, информацией и т. п., имеет переменный характер, противоречие (борьба) периодически пересекается с содействием (сотрудничеством). Роль и значение взаимодействия противоречий и содействия во вселенной не равноценны. Только противоречия выступают как внутренний импульс, источник движения и развития природы, общества, мышления, техники.
Противоречия в технических системах чрезвычайно разнообразны по форме и проявлениям, имеют быстротечный исторический характер, взаимосвязанный и взаимообусловленный. В процессе решения научно-технических заданий последовательно оказываются сначала внешние, а затем внутренние противоречия на уровне, который все больше углубляется. Внешние противоречия предшествуют научно-техническому заданию и создают мотивы для его выявления и решения. Среди внутренних противоречий (противоречий самой структуры системы) выделяют основные и главные технические и физические противоречия.
Технические противоречия возникают между элементами системы и их частями, между техническими параметрами и свойствами. Они заключаются в том, что, например, увеличение мощности полезного агрегата может вызывать недопустимое ухудшение экологической обстановки или необходимое повышение прочности вызывает недопустимое увеличение массы конструкции и так далее.
Физические противоречия заключаются в наличии у одного и того же элемента системы (ее мнимой модели) взаимопротивоположных физических свойств или функций. Например, элемент электрической схемы должен быть проводником, чтобы выполнялось одно действие, и одновременно диэлектриком, чтобы выполнялось другое. Это противоречие разрешает другой элемент - диод.
Путь к решению задания, к созданию качественно новой технической системы, лежит через выявление все более глубоких противоречий и нахождение способов их решения. В этом заключается одно из проявлений закона перехода количественных изменений в качественные. В то же время новая техническая система является органическим синтезом новых и некоторых элементов прежних решений в новом целом, демонстрируя тем самым действие закона отрицания отрицания как фундаментального принципа диалектики, которая определяет всякое развитие.
Элементы теории познания
Уровень технического развития зависит непосредственно как от уровня природоведения (от степени познания законов природы), так и от накопленных человечеством знаний в борьбе за подчинение сил природы. Вместе с тем средства труда (техника) созданы человеком в процессе общественного производства и входят неотъемлемым элементом в систему производительных сил. В связи с этим техника неразрывно связана и способом производства, которое включает и производственные отношения. Только экономические законы данного общественного строя определяют истоки, направления и темпы развития техники.
Рис. 2. Развитие главных показателей системы во времени
Жизнь любой системы (технической, системы живых организмов и др.) можно изобразить в виде логической кривой (рис.2), которая иллюстрирует изменения во времени главных показателей системы (например производительности, надежности и экономичности). Несмотря на индивидуальные особенности, эта зависимость имеет характерные участки, общие для всех систем. Сначала система (участок 1) развивается медленно, существует в виде модели, опытной установки, единичного образца. Потом (участок 2) она быстро совершенствуется, начинается ее массовое употребление. Потом темпы развития идут на спад (участок 3), система исчерпывает свои возможности. Дальше техническая система деградирует и будет сменяться принципиально другой системой, иногда долгое время сохраняя достигнутые показатели (участок 4).
Знание особенностей развития технических систем необходимо для выяснения резервов и определения целесообразности совершенствования данной системы или создания принципиально новых решений. В связи с тем, что жизнеспособными оказываются только те технические решения, которые отвечают закономерностям развития техники, особенную ценность представляет способность изобретателя правильно предусматривать направления и тенденции возможного изменения начальной технической системы и действовать в соответствии с этими закономерностями.
Приведенные элементы теории познания являются основными методологическими средствами научно-технического творчества, к которым относятся также эвристические приемы и методы активизации и научной организации творческого труда. Приведем некоторые из них.
Приемы дробления и объединения (частей или операций). Например, гайка, резьба и корпус которой выполнены отдельными деталями, может быть снята с болта без свинчивания, а объединение в автомобильном колесе двух шин позволяет намного повысить его надежность.
Прием вынесения (отделение части, которая мешает, или выделение единственно нужной). Например, при флюорографии для защиты от рентгеновских лучей многих органов на пути излучения ставят защитные барьеры, оставляя доступными для него только нужные части грудной клетки.
Прием инверсии (вместо диктуемого условиями задания действия использовать противодействия). Например, в устройстве для тренировки пловцов навстречу подается вода, а сам пловец остается на месте.
Прием перехода в другое измерение использован, например, в предложении беречь колоды в воде в виде пучков диаметром, превышающем длину, и устанавливать пучки в вертикальном положении.
Прием универсальности (ручка портфеля может одновременно служить эспандером).
Прием обращения вреда в пользу может быть реализован, например, при разливах рек и опасности наводнения путем размещения на берегах серии больших резиновых резервуаров, которые заполняют с помощью помпы «лишней» водой из реки. Такие водяные дамбы строят и собирают буквально за минуты.
Прием самообслуживания использован, например, в предложении повысить стойкость плит корпуса дробометального аппарата путем придания ему свойств магнита, который удерживает на своей поверхности постоянный слой дроби, которая обновляется. Таким образом, сущность многих (в том числе перечисленных) эффективных приемов творчества раскрывается в их названиях.
Анализ патентных материалов показывает, что изобретения высокого уровня, как правило, основаны на прямом использовании физических явлений, законов природы. Пока таких изобретений мало в следствии слабой информированности специалистов о новых изобретениях и открытиях. Чтобы исправить такое положение, много исследовательских коллективов создают фонды описаний физико-технических эффектов, используют их в автоматизированной поисковой системе. Эффективным эвристическим приемом в творческой деятельности является также идеализация конечного результата - машины, процесса или материала.
Идеальное решение - это самое сильное из всех мыслимых решений данного задания. Очень важно научиться пользоваться понятиями об идеальных машинах, процессе или материале. Например, идеальной может быть признана лампочка накаливания с контактами из ртути, которые обеспечивают ее включение в одном положении и выключение, - в другом. Таким образом, необходимые действия осуществляются без выключателя в виде отдельного элемента в цепи.
При работе над изобретением необходимо стремиться максимально приблизиться к идеальному результату, значительно улучшить необходимые показатели, не ухудшив других.
Важным общенаучным методом познания является аналогия.
На практике используют в основном четыре вида аналогии: прямая, символическая, личная и фантастическая. При прямой аналогии данный объект сравнивают с более или менее подобным из другой области техники или живой природы. Например, датчик, который реагирует на подвижный объект так же, как глаз лягушки на муху, которая пролетает рядом.
Символическая аналогия (обобщенная, абстрактная) требует формулировки в парадоксальной форме сути явления или понятия. Например, пламя - видимая теплота; прочность - принудительная целостность и тому подобное.
Личная аналогия является отождествлением себя с исследуемым объектом. Для этого человек, который решает задание должен вжиться в образ выбранного объекта с целью выяснения возникающих при этом ощущений, то есть «пережить» задание.
При фантастической аналогии в объект вводят какие-либо фантастические средства, которые выполняют необходимое по условиям задание. Например, «волшебная палочка», «золотая рыбка» и так далее.
Исследователи и изобретатели в своей практике давно используют физическую и математическую аналогии. Абсолютно похожими являются, например, структуры формул для определения силы притяжения Ft=rm1m2/r2 и силы электростатического взаимодействия Fe=kq1q2/r2. Аналогия лежит в основе физического и математического (АВМ) моделирования.
Такая аналогия является базой параметрического структурного метода творчества, основанного на энергоинформационных моделях цепей и параметрических структурных схемах. Для облегчения использования таких аналогий разработаны специальные карты топограмм связи величин внутри цепи одной физической природы и величин разной физической природы.
В научно-техническом творчестве обязательно используют такой общенаучный метод, как анализ. Широкое распространение в творческой деятельности приобрел, например, морфологический анализ, или метод морфологического ящика, который заключается в систематическом исследовании всех мыслимых вариантов, которые вытекают из закономерностей строения (то есть морфология) избранной системы.
Метод предусматривает: формулировку задания, составление списка характерных параметров (или признаков) объекта.
Например, для такой технической системы, как авторучка, характерными признаками являются: перо или шарик, баллон или механизм для наполнения ручки чернилами и тому подобное. К таким признакам предъявляют определенные требования. Они должны быть существенными для любого решения; независимыми один от другого; объемлющими все аспекты задания; достаточно немногочисленными, чтобы обеспечить быстрое изучение; составление списка частичных решений для каждого параметра или признака. Для каждого признака записывают возможные варианты. Целесообразно при этом указать, что другого параметра нет вообще, что облегчает выход к новым, иногда эффективным решениям; определение функциональной ценности всех возможных сочетаний. На практике чаще используют морфологическую карту, то есть составляют двухосную таблицу, в каждой клетке которой находится один вариант.
В заключение необходимо выбрать самое приемлемое решение, для отбора которого особенных правил нет, но желательно выбирать несколько главных элементов, а другие подбирать так, чтобы они отвечали и усиливали главные элементы.
Наиболее целесообразно использовать морфологический анализ при решении конструкторских заданий общего плана, проектировании машин и поиске компоновочных или схемных решений. Он может применяться для прогнозирования развития технических систем, при определении возможности патентования оригинальных комбинаций основных параметров.
Просты и весьма эффективны ассоциативные методы активизации творческого мышления, которые основываются на употреблении семантических свойств понятий. Основными источниками для генерации идей служат ассоциации, метафоры и случайно выбранные понятия, признаки которых переносятся на избранный объект. К таким методам относятся методы каталога (Ф. Кунце), фокальных объектов (Ч. Вайтинг) и гирлянд случайностей и ассоциаций (Г. Я. Буш). Примером употребления последнего метода может служить задание расширения ассортимента стульев мебельной фабрики. В соответствии с методом необходимо: 1) определить синонимы объекта (гирляндой синонимов для слова «стул» является: стул-кресло-табурет-пуф-лавка и т. д.); 2) составить произвольный набор случайных объектов (вторую гирлянду слов, взятых наугад, например: электролампочка-решетка-карман-кольцо-цветок-пляж); 3) образовать комбинации из элементов двух составленных гирлянд и путем соединения каждого синонима с каждым случайным объектом (стул с электролампочкой, решетчатый стул, стул с карманами, табурет для цветов и т. д.); 4) составить перечни признаков случайных объектов (например, электролампочка: стеклянная, матовая, с цоколем и тому подобное); 5) формирование предложений путем поочередного присоединения к избранному объекту (и его синонимов) признаков случайно избранных объектов. Например, с учетом признаков электролампочки, можно получить: стеклянный стул, кресло, которое излучает тепло, прозрачное кресло и т.д.; 6) составить гирлянды ассоциаций из признаков случайных объектов, обнаруженных на шаге; 7) к элементам гирлянды синонимов избранного объекта присоединить элементы гирлянд ассоциаций (образуются новые варианты: пуф из пены, стул из пористого материала и так далее); 8) потом проводят оценку и выбор рациональных вариантов в отборе оптимального варианта.
Интерес представляют также методы психологической активизации коллективной творческой деятельности. Одним из них является «мозговая атака» («мозговой штурм»), предложенная А. Осборном. Для устранения психологических препятствий, которые вызываются, например, боязнью критики, процессы генерирования идей и их критической оценки в мозговой атаке разделенные во времени и проводятся, как правило, разными группами людей. Первая группа только выдвигает разные предложения и варианты решений без критики. У нее желательно включать людей, склонных к абстрагированию, к фантазии. Вторая группа - это «эксперты», которые выносят мысль о ценности выдвинутых идей. В ее состав лучше включать людей с аналитическим и критическим строем мышления.
В практике массового технического творчества используют также методику программного решения научно-технических заданий (алгоритм решения заданий изобретательства (АРИЗ)). Понятие «алгоритм» имеет в виду комплекс последовательно выполняемых действий. Задания в АРИЗ рекомендуют формулировать (в фразах, доступных неспециалисту) в виде нежелательного эффекта или главной трудности, а не цели. Значение процесса решения за АРИЗ заключается в том, чтобы после выявления технических и физических противоречий устранить их путем целенаправленного перебора относительно небольшого числа вариантов.
Вышеупомянутые методологические средства творческого поиска может использовать исследователь в разных сочетаниях и последовательностях, но общую схему решения научно-технических заданий можно представить в виде следующих этапов:
- анализ технических потребностей общества и выявления технического недостатка;
- анализ систем заданий и выбор конкретного задания;
- анализ технической системы и разработка ее модели;
- анализ и формулировка условий технического задания;
- анализ и формулировка условий задания изобретательства;
- поиск идеи решения (принципа действия);
- синтез нового технического решения.
На первом этапе можно использовать, например, методы прогнозирования. Морфологический анализ можно использовать на разных этапах процесса решения задания. АРИЗ включает этапы от анализа технической системы до поиска идеи решения (включительно). Приведенные здесь примеры методических средств могут быть элементами системы исследований высшего иерархического уровня.
В данное время известны сотни эвристических методов поиска решения проблемных заданий, но выше рассмотрены лишь те методы, которые достаточно широко используются в творческой деятельности.