127

Международная академия психологических наук

Министерство образования и науки Российской Федерации

Брянский государственный университет

имени академика И.Г. Петровского

Брянский государственный технический университет

Серия «Библиотека изобретателя»

Кряжева Е.В.

Самородский П.С.,

Спасенников В.В.

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

ПО ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ДЛЯ УЧАЩИХСЯ, СТУДЕНТОВ И ИНЖЕНЕРНО-ТЕХНИЧЕСКИХ РАБОТНИКОВ

Учебно-методическое пособие

Брянск - 2008

К 17

Кряжева Е.В., Самородский П. С., Спасенников В. В. Методические рекомендации по изобретательской деятельности для учащихся, студентов и инженерно-технических работников. – Брянск, Изд-во БГУ, 2008. - 120 с.

В пособии изложены методические основы изобретательской и конструкторско-технологической подготовки учащихся в образовательной области "Технология" по созданию изделий с разработкой простейшей конструкторско-технологической документации и применением цифровых образовательных ресурсов (ЦОР). В основу положен проектный метод обучения посредством целенаправленного и мотивированного создания полезных изделий.

Предназначено старшеклассникам, студентам, учителям и инженерно-техническим работникам.

Рецензенты:

кафедра ОТДиФ БГУ;

д.т.н., профессор БГУ Комаров И.Н.

© Кряжева Е.В.

Самородский П.С.,

Спасенников В.В.

2008.

Содержание

ВВЕДЕНИЕ

Производство в современной России выявило недостаток в инициативных, самостоятельно и творчески мыслящих работ­никах всех уровней - рабочих, ИТР, научных сотрудниках. Вызвано это многими причинами, среди которых можно отметить ориентацию сис­темы народного образования на воспитание "среднего" исполнителя.

Потребности обновляющегося общества вызывают перестройку системы образования, переориентацию ее на выявление и развитие индивидуаль­ных особенностей, дарований, творческих способностей каждой личности. Только при воспитании творческих качеств мы сумеем преодолеть обычное для выпускников учебных заведений противоречие между их сравнительно большим объемом знаний и малой возможностью использовать эти знания в практической работе.

Практическая деятельность большей части выпускников учебных заведений так или иначе связана с техникой. Поэтому особую важность приобретает задача развития творческих способностей именно технических специалистов.

Оказать помощь в решении этой проблемы поможет настоящий комплект наглядных методических материалов. Он является первой частью планируемой к выпуску серии наг­лядных методических пособий, которые систематизированы по сле­дующим разделам:

1. Основы патентоведения.

2. Развитие творческого воображения.

3. Изобретательская физика и математика.

4. Методы активизации творческой деятельности.

5. Теория решения изобретательских задач (ТРИЗ).

6. Функционально-стоимостный анализ.

7. Техника и экология.

8. Дизайн.

9. Изобретения по профессиям.

10. Менеджмент и маркетинг и др.

Комплект может быть эффективно использован для оформления стендов, кабинетов технического творчества, проведения лекций, бесед, отдельных занятий, при активных методах обучения, для решения проблемных задач в ходе занятий или проведения конкурсов, олимпиад, деловых игр.

В предлагаемых материалах в интересной и доходчивой форме показано использование в технике тех физических законов, кото­рые изучаются в средних учебных заведениях.

I. Методический материал к рисункам и дублирующим их рисункам

Представлено 34 рисунка, кото­рые распределены по разделам:

Основы патентоведения - рисунки I, 2, 7, 8, 9;

Развитие творческого воображения - 3-6;

Методы активизации творческой деятельности - 15-18;

Теория решения изобретательских задач - 19-29;

Изобретательская физика - 10-14, 25-28;

Техника и экология - 33, 34.

Материал рисунков составлен на основе современных разработок в области методологии технического творчества с использованием описаний 76 отечественных изобретений. Приведены номера авторс­ких свидетельств (а.с.) изобретений и в сокращенном варианте даны формулы изобретений (краткое описание сущности изобретения).

Последовательность расположения материалов отвечает прин­ципам постепенного усложнения, переходу от знакомого к незнако­мому.

По форме расположения материала и содержанию рисунки рассчи­таны на активное участие учащихся в их восприятии. В этом отноше­нии особенно характерны первые рисунки - в них предлагается попробовать свои силы и убедиться, что "не боги горшки обжигают" и что каждому по силам сделать настоящее изобретение.

Использование рисунков может быть различным, в простей­шем случае они все вывешиваются на стендах в соответствии с перечисленными разделами. Кроме того, рисунки или дублирующие их Рисунки¹ могут применяться и как иллюстративный материал к отдель­ным урокам, лекциям, внеклассным мероприятиям.

Наиболее эффективны они как составляющая часть технических олимпиад или конкурсов (школьных, училищных, районных и т.д.). В этом случае сначала вывешиваются или сообщаются условия конкурса и оформляются стенды с использованием части рисунков. После проведения каждого этапа подводятся итоги, вывешиваются конкурсные работы учащихся и рисунки с вариантами известных реше­ний.

Если олимпиада (конкурс) проводится в три этапа, то рисунки можно использовать следующим образом (табл. 1).

Таблица 1

Этапы	Условия конкурса (№№ рисунков)	Подведение итогов (№№ рисунков)
Первый	I, 4, 13	2, 14
Второй	5, 15	16
Третий	6, 12, 26, 31	27, 32

Учитывая, что рисунок не должен быть перенасыщен информаци­ей, добавления и комментарии к каждому разделу приводятся в настоя­щих рекомендациях.

На все предложенные задачи на рисунках даны варианты ответов. Эти ответы необязательно являются лучшими техническими решениями задач, их нужно рассматривать только как ориентир. Ответами служат формулы соответствующих изобретений со ссылкой на номер авторского свидетельства. Эти технические решения прошли государ­ственную экспертизу и признаны новыми и полезными, поэтому могут рассматриваться как контрольные ответы. Опираясь на них, можно проводить разбор решений, представленных на конкурс. А для участников конкурса (и это очень важно) престижно узнать, что они по существу самостоятельно сделали изобретение, но только опоздали с приоритетом.

1.1. Основа патентоведения (рисунки 7, 8, 9, частично 1, 2, 10, 11, 17-32). Главная цель раздела - ознакомление с изобретательским правом.

Термином "изобретение" в технической, философской, худо­жественной литературе обозначают нечто новое, оригинальное: новую технологию, конструкцию, сплав, игру (например, изобрете­ние шахмат) или обряд (например, посвящение в рабочие).

В изобретательском праве идет речь о юридически значимом, охраноспособном изобретении.

Изобретения (а их основа - техническое решение) появляются там, где возникают противоречия между возникшими потребностями и средствами их удовлетворения.

Объектами изобретения являются устройства (см. рисунки 2, 7 и др.), способы (рисунок 8), вещества (рисунок 9). Изобретения "на применение" в данном комплекте не рассматри­ваются.

Следует разъяснить учащимся, что один из признаков изобре­тения - его объективная новизна, т.е. неизвестность такого ре­шения не только автору, но и так называемому "неопределенному кругу лиц". С этим понятием учащиеся столкнутся уже после ознакомления с двумя первыми рисунками. В самом деле, на поставлен­ные в них задачи учащимися может быть дан целый рад технических решений. Все они будут субъективно новыми для них. Но в боль­шинстве случаев они не будут объективно новыми, так как такие решения уже описаны в литературе, возможно на них выданы патен­ты или авторские свидетельства. Таким образом, на вопрос, явля­ются ли представленные учащимися решения изобретениями, следу­ет разъяснить, что даже для предварительного ответа надо про­вести патентный поиск.

Далее преподаватель вводит понятия: аналог изобретения и прототип (см. рисунки 1, 2, 10, 21). Аналог изобретения - из­вестное техническое решение той же задачи, сходное с ним по технической сущности; прототип - это наиболее близкий аналог изобретения. В формуле изобретения дается ссылка на прототип.

Ознакомление с основами патентоведения начинается с трех общепонятных задач, которые предлагается решить учащимся (рисунок 1).

Задача 1. В цельной металлической пластине толщиной 5 мм имеются два отверстия с резьбой. Нужно ввернуть в них изогнутый подко­вой стальной пруток. Пластину или пруток разрезать, а затем сваривать нельзя. Нельзя нагревать или охлаждать их. Итак, мож­но ли ввернуть. Если да, то как?

Задача 2. Вы бывали в спортивном лагере? В торжественных случаях на флагштоках поднимают флаг. На ветру он празд­нично реет, а при безветрии или в помещении - провисает. Как "заставить" флаг развиваться и в этих условиях?

Задача 3. Обычные гвозди не обеспечивают надежного креп­ления деталей из мягкого материала, например, древесно-стружечных плит. Кроме того, шляпки гвоздей портят внешний вид изделий. Предложите варианты гвоздей, не имеющие эти недостат­ки.

На рисунке 2 приведено несколько возможных вариантов решений этих задач. Решение первых задач в доходчивой форме изображено на рисунках.

Авторским свидетельством (а.с. № 800332) предложено стержень флагштока делать полым и гнать через него воздух вентилятором.

Показаны три изобретения по гвоздям: комбинированный гвоздь для потайного соединения (а.с. № 489877); гвоздь с из­меняющейся геометрией концевых участков (а.с. № 1103803); по а.с. № 969991 гвоздь имеет винтовую резьбу, а заостренный ко­нец выполнен с односторонним скосом. При забивании он изгиба­ется. Почему гвоздь изгибается по такой сложной траектории? При его забивании на скос заостренного конца действует сила реакции материала на удар молотка. Эта сила раскладывается на составляющие. Кроме того, материал воздействует на винтовую нарезку стержня. В результате гвоздь движется в соединяемых деталях по винтовой линии.

На рисунке 7 приведены примеры изобретений на устройства. К ним относятся сооружения, машины, приборы, инструмен­ты, агрегаты, приспособления, любые изделия (одежда, игрушки) и их детали.

Общеизвестна игрушка "ванька-встанька". При наклоне она качается с постоянной частотой. Это происходит за счет низкого расположения центра масс (для этого в ее основании установлен груз). В игрушках, показанных на рисунке (а.с. № 1140811 и 1140812 ), дополнительно введен шарик. За счет этого движение получается с резким изменением амплитуды и частоты колебаний. Схоже ведет себя и мяч (а. с. № 782817), который создает нео­жиданные игровые ситуации, т.к. в полете перемещается груз, соответственно изменяя положение центра масс мяча. Цель этих изобретений - повышение занимательности.

На этом же рисунке приведены еще несколько примеров изобре­тений на устройства (а.с. № 1140813, 1155241). Иллюстрировать рассказ учащимся можно, используя рисунки 17-32. Важно показать, что изобретения могут быть в любой сфере - в промышлен­ности, на транспорте, в строительстве, сельском хозяйстве, бы­товом обслуживании и т.д.

На рисунке 8 показаны изобретения на способы. Это - процессы обработки материалов, изготовления веществ, лечения болезней, выращивания культур и различные измерения. В качестве первого примера приведен способ неразъемного крепления полой пластмас­совой ручки к корпусу фуганка. Речь идет об изготовлении инст­румента (а.с. № 1084125). Ранее ручку вдвигали в паз корпуса и крепили шурупами. Это требовало утолщения стенки ручки (в ин­тересах прочности), выполнения дополнительной работы. Клеевое соединение проще. "Хитрость" изобретения - в введении клея внутрь ручки. Как это сделать, показано на двух рисунках. Технико-экономические преимущества способа состоят в уменьше­нии трудовых затрат.

На этом же рисунке рассказано и об а. с. № 486947. При мор­ских перевозках навалочные грузы (железорудные, свинцовые и другие концентраты) от вибрации и качки ведут себя почти как жидкости. "Перетекая" от борта к борту, груз может перевернуть судно. Как предотвратить смещение сыпучих грузов в трюме судна? По данному способу предложено на время плавания верхний слой замораживать жидким азотом. Изобретение дозволяет сделать груз временно не разжигаемым.

Еще два примера изобретений на способы приведены на этом же рисунке (см. также рисунки 21, 30, 32).

На рисунке 9 приводятся изобретения на вещества. Это - краски, растворы, сплавы, эмульсии. Различают лечебные, вкусовые, пищевые, косметические и др. вещества. В описаниях таких изобре­тений обязательно указывается химический состав, либо соотноше­ние (процентное, долевое, весовое) ингредиентов. Несколько примеров изобретений на вещества. По а. с. № 1105482 предложен состав стекла, обладающий фер­ромагнитными свойствами. Из него, например, можно изготавли­вать якоря магнитных мешалок. В а. с. № 527393 дан состав бетон­ной смеси с повышенной бактерицидной активностью. В а.с. № 906504 описано средство для быстрой остановки кровотечения. А.с. № 1009403 знакомит с оригинальным фаршем для котлет.

Развитие творческого воображения (рисунки 3-6)

Назначение данного раздела – в увлекательной форме способствовать развитию творческого воображения (фантазии) учащихся.

Преподавателю важно показать, что творческая отдача человека в значительной степени зависит от способности к воображению. При этом можно сослаться на авторитетные высказывания: «Фантазия есть качество величайшей ценности» - эти слова принадлежат В.И. Ленину; «Наука выигрывает, когда ее крылья раскованы фантазией» (М. Фарадей); «Опыт без фантазии или воображение без проверки опытом может дать немногое» (Э. Резерфорд).

В понятие «Творческие» входят многие способности – логические, комбинаторные, гибкость и переключаемость мышления, оригинальности и многое другое. Но именно творческое воображение (или фантазия) позволяет конструкторам и исследователям находить оригинальные идеи, открывать новые направления в науке и технике.

В детстве большинство детей имеют богатую фантазию, которая почти исчезает к старшему школьному возрасту. Причина проста – способности к воображению, фантазированию школа не развивает. Поэтому мало творчески мыслящих рабочих, инженеров, ученых. Этот пробел в системе образования надо восполнять.

На решение этой задачи работает чтение научной фантастики, но фантастики хорошей, содержащей оригинальные идеи. Кроме того, существует ряд специальных средств и методов, направленных на развитие творческого воображения. Например, профессор Дж. Арнольд (США) использует метод «воображаемая планета». Студентам предлагается решать различные технические задачи для условий необычной планеты с атмосферой из метана, морями – из аммиака, колебаниями температуры от -45⁰ до -150⁰С и т.п. На планете живут существа, имеющие несколько рук с тремя пальцами и замедленную реакцию. Необходимо разработать для этой планеты жилище, транспорт, инструмент и многое другое.

Рассмотренный метод интересен, но он не «инструментален», т.е. не содержит рекомендаций по получению фантастических идей.

В этом плане выгодно отличается отечественная теория решения изобретательских задач (ТРИЗ), куда входит курс развития творческого воображения (РТВ).

Автор ТРИЗ – Г.С. Альтшуллер, он же писатель-фантаст Г. Альтов, собрал и классифицировал более двадцати тысяч фантастических идей и фантастических рассказов и повестей. В результате анализа этих идей был выявлен рад приемов, которые помогают находить фантастические, а затем и технические идеи довольно высокого уровня. Один из разработанных им методов называется «метод фантограмм» (рисунок 3).

Работа по этому методу проводится в несколько этапов:

1. Выбирается объект фантастических преобразований – любой известный объект.

2. Рассматриваются основные характеристики и признаки выбранного объекта.

3. Последовательно применяются все приемы фантазирования к характеристикам выбранного объекта.

4. Рассматриваются полученные фантастические идеи и выбираются лучшие.

Работы по методу удобно проводить с помощью специальной таблицы получения фантастических идей – фантограммы. В ней в левом вертикальном столбце выписываются характеристики объекта, а в верхней строчке - приемы фантазирования. Далее следует главное – генерирование идеи по каждому «квадратику».

Не следует гнаться за объемом идей, торопиться. Главное – найти необходимые подходы.

В рисунках 4, 5, 6 рассматривается порядок работы с фантограммой. Взяты два объекта, один из которых – человек, а второй – входная дверь в дом или квартиру. Эти объекты имеют следующие исходные характеристики.

а) человек: вещество – органика; микроструктура – клетки; макроструктура – руки, ноги, голова и пр.; надструктура - нация, страна; питание - продуктами органического происхождения; передвижение – ногами; воспроизводство – деторождением; сфера обитания – поверхность земли; направление эволюции – к технократической цивилизации; цель существования – пусть эту характеристику сформулируют сами учащиеся.

б) дверь: вещество – древесина; микроструктура – клетки древесины; микроструктура – замок, ручки, доски и пр.; надструктура – жилой дом; энергетика – пассивная, приводится в движение усилием входящего; способ передвижения – вращение вокруг оси; сфера обитания – жилые дома; воспроизводство – в столярной мастерской; направление эволюции – стать тоньше и прочнее; цель существования – защита от посторонних, а так же сохранение тепла.

При работе с фантограммой можно выбрать иные характеристики и получить другие фантастические идеи.

На рисунке 4 показана работа с этими характеристиками с помощью приема фантазирования «инверсия». Это понятие известно из математики и в фантазировании оно имеет тот же смысл: изменить процесс, объект или его характеристики на противоположные. Инверсия – это изобретательский прием. Об этом рассказано На рисунке 20.

Итак, что получится, если все менять на противоположное? Вот возможный ход рассуждений учащихся. Вещество человека стало неорганическим. Идея не нова, есть много описаний кремниевых, фтористых и пр. существ. Микроструктура – человек состоит из множества клеток. Если взять наоборот – состоит из одной клетки. Размеры такого «человека» могут быть уменьшены до размеров клетки, и тогда у него начнутся свои трудности. А может быть, одна клетка вырастает до размеров человека; прочная оболочка, внутри которой плавает мозг, желудок и прочие органы. Если пойти дальше по этой идее, то сфера обитания этого существа – жидкость или невесомость; способ передвижения – реактивный; цель существования - …

Можно применить прием «инверсия» и к другим характеристикам человека. Микроструктура – человек состоит их одного органа или не имеет их вовсе. Надструктура – вся нация состоит из одной личности. Энергетика – питание неорганикой, солнечным светом или колокольным звоном. Способ передвижения (хождением) теперь выглядит так: хождение – способ не двигаться. Перемещается участок земли. Хочешь стоять на месте – иди навстречу. Сфера обитания – существа живут в другом времени, в космосе или под землей и тщетно пытаются установить контакты с землянами, не замечающими их.

Что получится, если применить прием «инверсия» к другому объекту – двери? Вещество двери – древесина характеризуется прочностью; непрозрачностью, большим сроком службы. Дверь «наоборот» может быть непрочная (с виду), прозрачная, не долговечная. Это может быть воздушная или световая (из лазерных лучей) дверь. Микроструктура – замок стал дверью – его «язычок» - на всю высоту дверного проема. Такой «замочек» сложно взломать, но и ключик к нему нужен изрядный.

Надструктура двери - жилище, куда она не пускает посторон­них. Если взять наоборот, то дверь должна заманивать или даже втягивать посторонних людей и животных, например, в гости к скучающим хозяевам. Для этого она может прикидываться дверцей троллейбуса, "входом" в кинотеатр или магазин. Может иметь на се­бе афишу, издавать призывающие звуки, привлекать запахами. А при приближении человека - хватать его и вталкивать в жилище. Дверь не пускает в дом хозяев, им приходится лезть в окно… Зимой такая дверь интенсивно пропускает в квартиру холод, зато в зной не обеспечивает ее проветривание. Коварство двери не имеет границ - все, что делается в доме, через нее видят и слы­шат посторонние. Причем только те, кто не хочет это видеть и слышать. Она усиливает уличные шумы и вместе с пылью пропуска­ет их... Не пытайтесь проносить через нее маленькие вещи -они непременно застрянут. Но и не удивляйтесь появлению через нее автобусов. Словом, с такой дверью не соскучишься. Но и это не все. Пусть остальное домыслят учащиеся.

Дверь с инверсной энергетикой - та, которая придает им­пульс движения всем проходящим (близка к двери с сильной пружиной).

Новая сфера обитания дверей - лес или поле. Там они вырас­тают (способ воспроизводства), а потом на основе договора со строительной организацией занимают место в дверном проеме.

Как видим, такой широкоизвестный приём, как "инверсия", помогает получить некоторый набор идей, который при дальнейшем развитии и литературной обработке мог бы лечь в основу фантас­тического рассказа.

Здесь приведены далеко не самые оригинальные идеи. Это ма­териал для ориентации. Пусть выдвигают свои версии учащиеся. Поощряйте оригинальные и юмористические идеи, несущие добрые, а не жестокие и грубые начала.

На рисунках 5 и 6 показаны варианты работы с этими же объектами с помощью приемов "увеличение - уменьшение" и "кван­тование". Для получения фантастических идей с помощью приема "увеличение - уменьшение" мысленно можно изменять размеры объекта или его элементов до тех пор, пока не появится новое качест­во.

Например, биологическое вещество человека характеризуется множеством параметров, один из которых - срок старения. Умень­шим срок жизни человека до одних суток. Какие в этих условиях могли бы быть жилище, транспорт, взаимоотношения? Обратная за­дача - продление срока жизни в научной фантастике рассматрива­лась многократно.

Увеличение на микроуровне новых идей вроде не дает, а вот при увеличении числа жителей в подструктуре в тысячи раз получим толкучку на Земле, как на пляже в Сочи летом. Чтобы поспать ле­жа, нужно занимать очередь, на любое зрелище собирается сто миллионов зевак.

Увеличение сферы обитания человека или способов его пере­движения неоднократно рассматривалось. А вот уменьшение среды обитания, например, в результате экологической катастрофы до двух метров над уровнем моря - этого, похоже, не было. Без спе­циального снаряжения можно жить только в этой зоне, выше и ни­же все отравлено. Цель существования - расширить зону хотя бы до трех метров.

Если применить этот прием ко второму объекту - двери, то­же можно получить несколько идей.

Уменьшая размеры дверей в макроструктуре, получаем двери в клуб лилипутов, тощих или йогов. При резком увеличении числа дверей в надструктуре получим мир, разделенный на зоны. Переход из одной зоны в другую совершается при выполнении определенных усло­вий - достижении определенного возраста, женитьбе или, напри­мер, облысении. Возможна дверь в иные миры (пространства).

Дверь с гипертрофированной системой питания - дверь-хищник, которая иногда закусывает проходящими, и их потом долго и без­успешно ищут.

Гораздо привлекательнее дверь, открытие и закры­тие которой почти не требует приложения усилий. Такая доброже­лательная дверь отзывается на мысль.

Расширение сферы обитания дверей - государства отгорожены друг от друга многокилометровыми стенами, в которых есть прохо­ды для людей, поездов, самолетов и т.д.

Прием «квантование» предлагает изменить ход протекания различных процессов: непрерывные сделать прерывистыми, и нао­борот.

Человек растет и стареет непрерывно, пусть это происходит скачками, например, по достижении определенного возраста. Соот­ветственно и остальные процессы протекают скачкообразно - рост, развитие творческих способностей, появление и выпадение зубов, волос и т.д.

На уровне макроструктуры множество непрерывных процессов - движение, речь, дыхание. А почему бы человеку ни скакать, подоб­но лягушкам, или не дышать раз в сутки?

Питание у большинства людей периодическое - пусть будет непрерывным, пусть все время что-то жуют. Сон тоже периодичес­кий - пусть будет непрерывным: спим во время работы, учимся во сне и т.д. Аналогично можно подумать и о непрерывном бодрство­вании.

Применить прием квантования к двери сложнее, но возможно. Например, процесс прохождения через дверь - прерывистый, при этом человек попадает с улицы в жилище. А пусть этот процесс станет непрерывным; пусть мы все время будем одной ногой дома, другой - на работе.

Открывание и закрывание двери - процесс импульсный, пусть станет непрерывным_. Например, дверь может все время вращаться с определенной скоростью, и пройти сквозь нее сможет только тот человек, который знает эту скорость, остальных она заворачива­ет назад.

В заключение данного раздела преподаватель обращает внима­ние учащихся на следующее: даже используя известные приемы фан­тазирования, не следует быть формалистом. Что делать, если возникает идея, не отвечающая правилам? Записать суть идеи и продолжать работу!