Методы и приемы решения творческих задач

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Омский государственный технический университет»

Методы и приемы решения творческих задач

Методические указания для самостоятельной работы студентов

по дисциплине «Методология научных исследований»

Омск - 2007

Составитель: Юрий Александрович Саяпин

Рассмотрены основные понятия творческой деятельности, некоторые методы и приемы решения творческих задач, предложены для решения учебные задачи и алгоритм для их решения. Для самостоятельного изучения алгоритма даны примеры его применения.

Печатается по решению редакционно-издательского совета

Омского государственного технического университета.

Редактор

Компьютерная верстка

ИД № 000 от 01.01.2001 г.

Сводный темплан 2007 г.

Подписано в печать 18.07.2007 г. Формат 60´84 1/16. Бумага офсетная.

Отпечатано на дупликаторе. Уч. изд. л. 1,25. Усл.-печ. л. 1,25.

Тираж 100 экз. Заказ 603.

Издательство ОмГТУ. г. Омск, пр. Мира, 11

Типография ОмГТУ

1 ЧАСТЬ

Введение

Сварка, как и другие ведущие технологические процессы, определяющие технический уровень развития общества, за последние десятилетия достигла больших успехов. В настоящее время с помощью сварки изготавливают десятки млн. тонн высококачественных ответственных сварных конструкций из металлических и неметаллических материалов. Достигнуты большие успехи в вопросах исследования и понимания процессов, протекающих при сварке и определяющих качество соединения.

Дальнейший технический прогресс в обществе неразрывно связан с созданием и продвижением в жизнь принципиально новых материалов и изготавливаемых из них конструкций, которые обладают все более ярким спектром характеристик и эксплуатационных свойств. При этом проблемы получения сварных соединений из таких материалов во многих случаях остаются пока нерешенными. Эффективным, а зачастую и единственным путем решения этих проблем, является проведение научно-исследовательских работ.

Поэтому при подготовке инженеров-сварщиков стоят задачи формирования у будущих специалистов представлений о научном подходе к решению конкретных инженерных задач. Важно также обучение их выбору и разработке методик проведения исследований; привитие навыков творческой работы.

Профессиональный уровень инженера определяется его фундаментальными, общеинженерными и общетехническими знаниями, творческими возможностями, навыками самостоятельного исследования, конструирования, проектирования, способностью экономически оценивать принимаемые решения. Предъявляются повышенные требования к комплексу организаторских, исполнительских, волевых качеств самого работника, к его умению оперативно, настойчиво и последовательно проводить в жизнь принятые решения.

Любой здравомыслящий человек понимает, что творческое мышление студенту, будущему инженеру, крайне необходимо, и что умение творчески мыслить важно начинать развивать как можно раньше. Именно тогда, когда развитие интеллекта и формирование профессиональных навыков происходят максимально быстро.

Молодой специалист, стремящийся участвовать в развитии современных научных и производственных предприятий, в создании эффективного оборудования и технологий просто обязан изучать методы решения инженерных задач, разработанные учеными и изобретателями. В настоящее время известны сотни эвристических методов поиска решения проблем.
В руководстве рассмотрены лишь те, которые наиболее широко используются в творческой деятельности. Одним из эффективных методов обучения техническому творчеству, логике анализа и синтеза творческих задач является алгоритм решения изобретательских задач. АРИЗ позволяет формировать у будущего специалиста алгоритмическое мышление, учит активизировать воображение, помогает преодолевать психологическую инерцию мышления, повышает его гибкость. АРИЗ заставляет приблизиться к идеальному решению, повышает уровень решения инженерных и научных задач. Решение учебных задач с применением алгоритма значительно повышает творческий уровень молодого специалиста, его профессиональные качества.

Цель данного методического руководства – обратить внимание студентов на необходимость развития творческих способностей, дать представление о некоторых методах решения научных, инженерных задач, а также дать возможность каждому студенту кафедры получить практический опыт решения изобретательских задач с применением алгоритма.

Задание

1. Изучить теоретическую часть методического руководства (разделы 1-5).

2. Изучить «Схемы типичных конфликтов в моделях задач» (прилож. 1).

3. Прочитать условие задач в примерах 1-3 (прилож. 4), понять требования.

4. Изучить раздел 1.1. алгоритма (прилож. 2) и примечания 1–4
(прилож. 3).

5. Прочитать часть 1.1. решения в примерах 1-3 (прилож. 4), понять правила записи мини-задачи и составления технических противоречий.

6. В соответствии с пунктом 1.1 алгоритма и по аналогии с примерами записать условие мини задачи и технические противоречия задачи, полученной для решения у преподавателя.

7. Продолжить решение задачи в соответствии с алгоритмом (прилож. 2) по аналогии с пунктами 3–6 данного задания (выполнить как минимум разделы 1–4).

8. Оформить решение задачи аналогично примерам.

9. Сдать работу на проверку преподавателю.

1. Основные понятия творческой деятельности

Основой разработки каждого научного исследования является методология творчества, т. е. совокупность методов, способов, приёмов и определённая последовательность их применения, принятая при разработке изучаемого технологического или физического процесса или явления.

Творчество – это деятельность, порождающая нечто качественно новое, это мышление в его высшей форме, выходящее за пределы известного. Творчество может иметь место в любой сфере деятельности человека: научной, производственно-технической, политической, художественной и т. д. Научное творчество связано с познанием окружающего мира. Техническое (научно-техническое) творчество имеет прикладные цели и направлено на удовлетворение практических потребностей человека за счет решения задач в области техники на основе использования достижений науки.

В течение всей человеческой истории учёные и изобретатели прошлого для создания нового использовали малопроизводительный метод «проб и ошибок». Бессистемно перебирая большое количество вариантов, они находили (иногда) нужное решение. При этом, чем сложнее задача, тем выше её творческий уровень, тем больше вариантов её решения, тем больше проб нужно совершить. Творческие находки имели преимущественно случайный характер.

В настоящее время в связи с ускорением научно-технического прогресса все острее становится проблема активизации научно-технического творчества. Требуется высокая производительность, эффективность и качество творческого труда. Существенно возросла потребность в новых технических решениях высокого уровня. Чтобы создавать что-то новое, необходимо перестроить стиль мышления, освоить методы творческого решения задач, научиться эффективно мыслить. Творчество осуществляется конкретным субъектом, и поэтому связано с особенностями человеческой психики, закономерностями высшей нервной деятельности. Большое влияние на творческий процесс оказывают способности замечать и формулировать технические противоречия, проявлять фантазию, подвергать сомнению очевидные на первый взгляд истины, умение ставить вопросы, избегать поверхностных суждений, проверяя каждый вариант гипотез. Людей, склонных к творчеству отличает от остальных людей большая взволнованность, устойчивый и эмоционально окрашенный интерес к изучаемому вопросу, исключительное упорство, готовность бороться с сомнениями, вера в свои возможности. Этих людей всегда характеризует большая любознательность и уважение к мнению других людей.

Нередко считается, что люди изобретают благодаря интуиции. Но внезапное озарение не возникает из ничего. Озарению предшествует длительное накопление знаний в данной области, попытка логически доказать что-либо. Поиск решения продолжается в подсознании, этот процесс не осознаётся и в какое-то время удачная мысль, сильное решение приходит, как кажется, неведомо откуда.

Заставить человека творить без его желания невозможно. Заставить научиться творить невозможно вдвойне. Стимулирует на творчество мотивация или побуждение. Она связана с потребностями, которые делят на следующие:

- биологические (экономия сил, житейская изобретательность, совершенствование навыков);

- социальные (стремление к вознаграждению, к почёту);

- идеальные (потребность познания, в информации).

Наиболее важным для творчества видом мышления является воображение. Ей принадлежит решающая роль в создании всего нового. Эта способность должна постоянно тренироваться и развиваться.

Различают три типа воображения:

- логическое (выводит будущее из настоящего путем логических преобразований);

- критическое (ищет, что именно в современной системе несовершенно и нуждается в изменении);

- творческое (рождает принципиально новые идеи и представления).

Факторы, мешающие творчески мыслить:

- отсутствие гибкости мышления;

- сила привычки;

- чрезмерная специализация;

- узкопрактический подход;

- влияние авторитетов;

- боязнь критики;

- страх перед неудачей;

- чересчур высокая самокритичность;

- лень.

Противоположностью творческого воображения является психологическая инерция мышления. Она связана со стремлением действовать в соответствии с прошлым опытом и знаниями, стандартными методами. Учеными, изобретателями разработаны методы преодоления психологической инерции. Применяя их при решении учебных задач, студенты развивают творческое воображение, повышают уровень своего развития, становятся специалистами, которые в состоянии решать задачи любой сложности.

Важнейшим условием успеха в любом виде деятельности является умение сосредоточить внимание и долго удерживать его на каком-либо вопросе или проблеме. Для достижения успеха необходимо также развивать: настойчивость, упорство, целенаправленность. Без них немыслимо творчество.

2. Методы и приемы решения творческих задач

Эффективным приемом активизации воображения является идеализация машины, процесса или материала. Идеальное решение – это наиболее сильное из всех мыслимых решений данной задачи. При решении задач необходимо стремиться максимально приблизиться к идеальному результату, значительно улучшить требуемые показатели.

Пример: при проектировании станции «Луна-16» необходимо было снабдить станцию компактной и сильной электролампой для освещения лунной поверхности. Лампе предстояло выдержать большие механические перегрузки, она должна быть очень прочной. Слабым местом было соединение цоколя со стеклянным баллоном.

Идеальный баллон – функции баллона выполняются, но он отсутствует. Функция баллона – держать вакуум внутри лампы. Но зачем везти вакуум на Луну, если там сколько угодно своего вакуума. Лампу установили без стеклянного баллона.

Идеальность решения обеспечивается тем, что нужный эффект достигается «даром», без использования каких бы то ни было средств. Изобретательное мышление должно быть жестко ориентировано на идеальное решение: есть вредный фактор, с которым надо бороться. В идеале нужно, чтобы этот фактор исчез сам по себе – сам себя устранил. Но его можно устранить и сложив с другим вредным фактором. А самое идеальное решение – пусть вредный фактор начнет приносить пользу.

Идеальное решение направлено на устранение технического противоречия (ТП), под которым понимается ситуация, когда попытка улучшить одну характеристику технической системы вызывает ухудшение другой. (Например, при увеличении прочности конструкции самолета или автомобиля увеличивается вес, а повышение точности измерительного прибора приводит к усложнению его схемы).

ТП часто указано в условии задачи, если нет – задача требует корректировки. Формулировка ТП не дает указания на конкретный ответ, но позволяет сразу отбросить множество «пустых» вариантов.

Каждое техническое противоречие обусловлено конкретными физическими причинами. Физическое противоречие (ФП) – ситуация, когда к одной и той же части системы предъявляются взаимопротивоположные требования. (Например, элемент электрической схемы должен быть при работе и проводником и диэлектриком (диод)).

Следующий метод познания – аналогия.

При прямой аналогии объект сравнивается с более или менее схожим объектом из другой области техники или живой природы. (Например: самолет – с птицей, насос – с сердцем, эхолот ­– с органом летучей мыши).

При символической аналогии суть явления формулируют в парадоксальной форме, используется абстрактная схожесть (пламя – видимая теплота).

Личная аналогия – это отождествление себя с исследуемым объектом. Нужно вжиться в образ объекта, проникнуть в механизм его работы.

Фантастическая аналогия – в объект вводятся фантастические средства, выполняющие то, что требуется. Например, «волшебная палочка».

Физическая и математическая аналогия – явления описывают с помощью формул.

Эти виды аналогий применяют также при решении задач методом «синектика». Участники синектической группы являются людьми различных специальностей, которые встречаются с целью найти творческие решения проблем путем неограниченной тренировки воображения и объединения несовместимых элементов. Метод особенно эффективен, если организована предварительная учеба по специальной программе.

К методам психологической активизации творчества в коллективе относится также мозговая атака (или штурм). При этом методе процессы выработки идей и их критической оценки разделены во времени и проводятся, как правило, разными группами людей по 4 – 15 человек. Первая группа людей – генераторов идей за 20-30 минут выдвигает несколько десятков предложений и решений без их анализа и критики (в том числе, в виде жестов или усмешек). Причем принимаются любые идеи (шутливые, фантастические, ошибочные), любая из них способствует возникновению ценного решения. При возникновении доброжелательной обстановки новые идеи прорываются из подсознания в сознание и к концу штурма генераторы идей высказывают предложения, не успевая их обдумать. В группу генераторов идей желательно включать людей, склонных к абстрагированию, к фантазии, обладающих творческим воображением. Полученные идеи анализирует группа критиков («экспертов). В ее состав включают людей с аналитическим и критическим складом мышления. Эксперты выносят суждение о ценности выдвинутых идей. Лучшие идеи передаются на разработку, как правило, с участием автора.

Мозговой штурм эффективен при решении несложных задач, в основном, организационных. Применяют прямой мозговой штурм и обратный (поиск недостатков), индивидуальный письменный, двухстадийный и другие.

Морфологический анализ – (метод морфологического ящика) состоит в систематическом исследовании всех мыслимых вариантов, вытекающих из закономерностей строения системы. Метод предусматривает:

- формулировку задачи;

- составление списка характерных параметров или признаков объекта;

- составление списка частичных решений для каждого параметра или признака;

- определение функциональной ценности всех возможных сочетаний;

- определение наиболее приемлемого решения.

Этот метод создает основу для мышления в категориях основных признаков и параметров, дает много вариантов решения, многие из которых могут быть тривиальными. Метод наиболее применим при решении конструкторских задач при проектировании машин, поиске компоновочных и схемных решений.

Сначала выделяют оси – главные характеристики объекта, а затем по каждой оси записывают элементы – всевозможные варианты. Комбинируя варианты исполнения между собой можно получить множество различных решений. Пример морфологической таблицы для маски сварщика представлен в таблице 1.

Таблица 1

Морфологическая таблица для маски сварщика

№ стр.	Признаки	Альтернативные варианты (№ столбца)
1	2	3	4	5
1	Защита глаз	Черное стекло	Черная жидкость	Шторки	Ферромагнитный порошок	Через телекамеру, экран
2	Крепление	На голове	На плечах	На груди	Не на сварщике
3	Материал кожуха	Картон	Пластик	Металл	Стекло-ткань
4	Форма кожуха	Плоская	Шаровидная	Продолговатая
5	Приведение в рабочее состояние	Вручную	От дуги (контакта электрода)	Мысленно	Мимикой
6	Окружающая среда	Воздух (газы)	Вода	Вакуум
7	Выполняемые дополнительные функции	Подача чистого воздуха	Режимы сварки на экране	Информация с дефектоскопа на экране	Защита верхней части головы (каска)

Конструкторы и изобретатели сознательно или бессознательно пользуются набором эвристических приемов (от греческого открываю, отыскиваю), которые у них сформировались по опыту предыдущих работ. Эвристический прием представляет собой предписание или указание, как преобразовать имеющееся или аналогичное техническое решение (в направлении поставленной цели), чтобы получить некоторое решение.

При решении задач методом эвристических приемов последовательно выполняются следующие этапы поиска и обработки информации:

- уяснение или формулировка технического задания (перечень требований к разрабатываемому техническому решению);

- выбор аналогов одного или нескольких прототипов, в наибольшей мере удовлетворяющих техническому заданию;

- анализ прототипов, выявление их недостатков и формулировка постановки задачи;

- решение задачи на базе индивидуального фонда эвристических приемов (каждый разработчик выбирает себе сам).

Эффективность метода эвристических приемов можно значительно поднять, используя ЭВМ.

К эвристическим приемам поиска новых технических решений относятся следующие методы.

Метод каталогов и метод фокальных объектов. Они основаны на переносе на совершенствуемый объект признаков других, случайно выбранных объектов. Например, маска сварщика. Задача – улучшить удобство в пользовании, улучшить видимость стыка. При решении последовательно выполняются следующие этапы поиска:

- выбрать 3-5 случайных объектов (из каталога, журнала, книги), составить описание их признаков.

- присоединить к маске (дополнительному объекту) признаки случайных объектов и генерировать (выдвигать) идеи;

- развивать получаемые сочетания путем свободных ассоциаций;

- оценить полученные идеи и отобрать полезные решения;

- защитить выбранные решения.

Метод гирлянд случайностей и ассоциаций. Для решения задачи этим методом предлагаются этапы:

- определение синонимов объекта (для слова стул - кресло, табурет, скамейка);

- произвольный выбор случайных объектов (вторая гирлянда слов: электролампа, решетка, карман, кольцо);

- образование комбинаций из элементов гирлянд синонимов и случайных объектов (стул с электрической лампочкой, решетчатый стул, табурет из колец);

- составление перечня признаков случайных объектов (электролампочка: стеклянная, электрическая, матовая, с цоколем, цветная; решетка: металлическая, сварная, круглая, кованная);

- генерирование идей путем присоединения к техническому объекту и его синонимам признаков случайно выбранных объектов (стеклянный стул, электрический стул, металлический табурет);

- генерирование гирлянд ассоциаций: поочередно, для признаков случайных объектов;

- генерирование новых идей: к синонимам технического объекта присоединяют элементы гирлянд ассоциаций (кресло в виде пузыря, табурет из пены, скамейка, наполненная воздухом);

- оценка и выбор рациональных вариантов идей;

- отбор оптимального варианта.

Межотраслевой фонд эвристических приемов. Тысячи ученых, изобретателей создавали привычный теперь для нас мир техники и технологии. Решение творческой задачи многие из них пытались найти путем логического анализа недостатков исследуемой системы и их устранения путем поиска аналогичного решения в другой области техники либо в природе. Иногда улучшенное техническое решение находили путем случайных изменений прототипа. Все эти мало эффективные попытки поиска улучшенного решения называют методом «проб и ошибок».

Однако каждая творческая инженерная задача была решена с помощью определенного способа, например, путем применения магнитной силы, экранированием объекта или заменой трения скольжения трением качения. Такие способы или правила решения инженерных задач называют эвристическими приемами. В них содержится краткое указание, как преобразовать имеющийся прототип или в каком направлении нужно искать, чтобы получить решение задачи.

Наиболее современными, научно обоснованными и хорошо зарекомендовавшими себя в практике изобретательского творчества являются методы программированного решения изобретательских задач, которые были созданы в нашей стране. К ним относятся, прежде всего, обобщенный алгоритм поиска новых технических решений, разработанный группой ученых под руководством , и алгоритмы решения изобретательских задач . При разработке этих методов был использован ряд прогрессивных идей некоторых методов, рассмотренных ранее.

Группой ученых под руководством создан фонд эвристических приемов. Наиболее полный фонд приёмов (420 шт.) приведен в книге «Методы поиска новых технических решений» под редакцией . В книге «Основы инженерного творчества» приемы (180 шт.) собраны в группы:

1. Преобразование формы – 16 приемов.

2. Преобразование структуры – 19 приемов.

3. Преобразование в пространстве – 16 приемов.

4. Преобразование во времени – 8 приемов.

5. Преобразование движения и силы – 14 приемов.

6. Преобразование материала и вещества – 23 приема.

7. Приемы дифференциации – 12 приемов.

8. Количественные изменения – 12 приемов.

9. Использование профилактических мер – 22 приема.

10. Использование резервов – 13 приемов.

11. Преобразования по аналогии – 9 приемов.

12. Повышение технологичности – 16 приемов.

Пример применения приема 8.1. – резко изменить (в несколько раз, в десятки и сотни раз) параметры или показатели объекта (его элементов, окружающей среды). Требуется резать камень, металл без применения огня, абразивов, фрез. Известно, что землю можно разрезать струей воды давлением до 10 МПа. Увеличение давления до 100 МПа позволило струей воды резать металл и камень.

Ценность фонда эвристических приемов заключается в следующем: опытному разработчику, изобретателю, чтобы решить задачу, нужно придумать прием решения или вспомнить придуманные им ранее. Пользуясь же фондом приемов, применяя поочередно каждый из них для решения задачи, изобретатель потратит гораздо меньше времени на решение. В том числе и начинающий.

Решение задачи производят поэтапно, в следующей последовательности:

1. Формулировка задачи.

2. Поиск конкретного прототипа, определение недостатка и противоречия прототипа, которые необходимо устранить.

3. Выбор подходящих групп приемов, просмотр приемов в группах и выбор по интуиции таких, которые представляют интерес для решения данной задачи.

4. Преобразование прототипа с помощью выбранных приемов с записью идей улучшенных технических решений.

5. Определение недостатков и противоречий полученных прототипов и поиск с помощью приемов новых улучшенных технических решений.

6. Анализ совместимости полученных решений со смежными и вышестоящими по иерархии техническими объектами.

7. Выбор из полученных решений перспективных вариантов для дальнейшей проработки.

Начинающему разработчику рекомендуется работать над созданием индивидуального фонда приемов, выбирая из межотраслевого фонда приемы, близкие ему, с учетом специфики решаемых задач. А также создавать фонд примеров решения задач из своей области или функционально близких областей.

Фонд физико-технических эффектов. Наиболее эффективные технические решения связаны с применением тех или иных физических эффектов и явлений. Инженер обычно знает около 200 физико-технических эффектов, а достаточно свободно использует не более 100 из них. В научно-технической литературе дано описание более 3000 и их количество постоянно увеличивается.

Учеными разработан перечень физических и химических эффектов и явлений и составлен фонд физико-технических эффектов. Разработан также метод автоматизированного поиска принципов действия технических объектов на основе перечня физико-технических эффектов. Базой поиска служит фонд 120 ФТЭ, каждый эффект описан на трех уровнях. На первом уровне дается самое краткое описание эффекта (табл.2), на втором – описание объемом примерно в одну страницу и на третьем уровне – подробное описание ФТЭ на 5-8 листах.

Таблица 2

Пример из фонда

Наименование ФТЭ	Вход А	Объект В	Выход С	Краткая сущность ФТЭ
Закон Ома	Эл. поле, напряженность эл. поля	Проводник	Эл. ток, плотность тока	Возникновение в проводнике эл. тока, плотность которого пропорциональна напряженности поля

Перечень физических эффектов и явлений можно разделить на отдельные группы.

Во-первых, это действие, связанное с температурой: тепловое расширение, термоэлектрические явления, спектр излучений, переход через точку Кюри, эффект Джоуля-Ленца и др.

Во-вторых, это индикация положения, перемещение объекта и управление им: введение истоков веществ, преобразующих внешние поля (люминофоры) или создающих поля (ферромагнетики), отражение и испускание света, фотоэффект, деформация и др.

Фонд химических эффектов и явлений состоит из почти полутысячи наименований.

Применение химических эффектов можно разделить на три группы:

1. Преобразование вещества: перенос в пространстве, изменение массы, изменение концентрации.

2. Преобразование энергии: получение тепла, получение холода, получение механических давлений, генерация светового излучения…

3. Преобразование информации: индикация текущей информации о веществе, индикация информации об энергии (тепловой, коронного разряда, ультрафиолета и т. д.).

Алгоритм решения изобретательских задач. При решении задач высших уровней нужны знания, обязательно выходящие за пределы специальности, которую имеет изобретатель. Ни знания, ни опыт, ни способности («природный дар») не могут служить надежной основой для эффективной организации творческой деятельности. Нет людей, которые могли бы регулярно одну за другой решать задачи «ценой» в 100 тысяч проб благодаря своим знаниям, опыту и способностям. Решая задачу человек должен уметь правильно перерабатывать имеющуюся информацию, идти к решению прямо, а не блуждать, перебирая варианты. Направить прямо на решение может АРИЗ, разработанный , но только того, кто с алгоритмом работает, тренируется им пользоваться. Тот, кто тренировался, решая учебные задачи, получит талантливое организованное мышление. Такое мышление называют тризным. Умение уверенно работать с алгоритмом возникает при решении около 100 учебных задач. Для ученого-исследователя АРИЗ полезен так же тем, что он учит анализировать задачи, помогает определять идеальный конечный результат и физическое противоречие, является хорошим тренингом для проведения мысленного и модельного эксперимента.

Алгоритм основан на законах развития технических систем, и состоит из программ последовательных операций для выявления и устранения технических противоречий, средств управления психологическими факторами и информационного фонда. Опубликовано несколько модификаций АРИЗ.

АРИЗ – 85В содержит 9 частей:

1. Анализ задачи.

2. Анализ модели задачи

3. Определение идеального конечного результата и физического противоречия.

4. Мобилизация и применение вещественно-полевых ресурсов.

5. Применение информационного фонда.

6. Изменение и/или замена задачи.

7. Анализ способа устранения физического противоречия.

8. Применение полученного ответа.

9. Анализ хода решения.

В первой части формируется мини-задача, в которой определяются основные части системы, результат, который должен быть получен и противоречие, мешающее его получить. Задачу следует сформировать без специальных терминов.

Одним из самых эффективных методов познания является моделирование – замена реального объекта его моделью. С моделями работать намного проще. В ТРИЗ используются модели технических систем, получившие название веполь (от слов вещество и поле). Это минимальная структурная модель технической системы, включающая изделие, инструмент и энергию их взаимодействия. В модели отсутствует всё лишнее, несущественное, что позволяет четко выявить недостатки технической системы. Если в технической системе отсутствует полезное действие, то это обычно связано с тем, что в модели недостает одного или двух элементов веполя (неполный веполь). Его нужно достроить – ввести элементы.

При строительстве моделей вещество (изделие, инструмент) обозначают буквами А, Б, В.

Поля, в зависимости от их действия, обозначают так:

- полезное действие;

- вредное действие;

- действие, которое надо обеспечить;

- нет информации об А и Б или их взаимодействии;

- нерегулируемое действие;

- преобразование веполя.

Виды полей, наиболее употребительных в технике:

М – механическое поле (усилия, перемещения, давление, инерционные, гравитационные, центробежные силы, вибрации, удары, аэро - и гидродинамические эффекты и т. д.);

А – акустическое поле (колебания звуковые, ультразвуковые, стоячие волны, резонансные колебания…);

Т – тепловое поле (нагрев, охлаждение);

Х – химическое поле (взаимодействие, использование различных химических реакций);

Э – электрическое поле, в том числе электростатическое, поле электрического тока, постоянного или переменного;

М – магнитное поле, создаваемое постоянными магнитами или электрическим током (постоянным или переменным).

Запомнив аббревиатуру «МАТХЭМ» легче воспроизводить в памяти все виды полей и применять их при решении задач.

3. Особенности развития технических систем

Жизнь любой системы (технической, системы живых организмов) можно изобразить в виде логической кривой, показывающей изменения во времени главных показателей системы n (например, производительности, надежности, экономичности). Эта зависимость имеет характерные участки, общие для всех систем (рис. 1).

Рис. 1. График изменения во времени главных показателей системы

Вначале (уч.1) система развивается медленно, существует в виде модели, опытной установки. Затем (уч.2) она быстро совершенствуется, начинается ее массовое применение. Далее темпы развития идут на спад (уч.3), система исчерпывает свои возможности. Затем техническая система деградирует и сменяется другой системой Б, иногда долго сохраняя достигнутые показатели.

Знание особенностей развития технических систем необходимо для выяснения резервов и определения целесообразности совершенствования системы. И если инженер не учитывает особенности развития системы, разработанные им решения могут оказаться нежизнеспособными, а труд – бесполезным.

В сложных системах каждая подсистема, входящая в систему, также проходит все три этапа развития. Примером может служить развитие скоростей легких военных самолетов. Основными причинами повышения скорости летательных аппаратов были появление новых двигателей, материалов и улучшение конструкции самолета и планера.

Технические системы практически всегда продолжают развиваться по инерции. Инерции интересов – финансовых, научных, карьеристских и
т. д. И остаются экономически выгодными за счет разрушения, загрязнения, эксплуатации внешней среды. (Пример – автомобиль внутреннего сгорания вместо электроавтомобиля. Нефть – как топливо, вместо альтернативных видов топлива). На рис.2. представлено сопоставление графика развития характеристик ТС с графиками изобретательских показателей.

Рис. 2. Сопоставление графика развития характеристик ТС с графиками изобретательских показателей: а) график изменения во времени главных

показателей системы; б) изменение количества изобретений, относящихся

к данной технической системе; в) изменение уровня изобретений (первые, создающие основу технической системы, всегда высокого уровня); г) изменение средней эффективности от одного изобретения высокого уровня

На начальном этапе развития ТС изобретений мало, они высокого уровня, затратные, т. е. без прибыли; перед деградацией ТС изобретений много, их уровень низок, прибыль максимальная.

4. Уровни творческих задач

По степени трудности задачи можно разделить на пять уровней.

1) 1 уровень – самые легкие задачи, их решают после нескольких попыток, применяя средства (устройства способы, вещества), которые прямо предназначены для данной цели. (Например: если нужно защитить от перегрева что-либо, то применяют теплоизоляцию, или: чтобы свет дуги не «забивал» слабо освещенные участки соединения (стык, кромки шва) можно осветить их ярким лучом лампы). Решение предельно очевидно, требуется перебрать несколько вариантов. Его получают все: научные работники, конструкторы, студенты, школьники. Около 30 % изобретений – решение задач первого уровня.

2) 2 уровень – задачи, при решении которых приходится перебрать
50-70 вариантов, объект изменяется несильно. Чтобы решить задачу требуется определенное терпение и настойчивость. Решение задач первого и второго уровней совершенствуют технику.

3) 3 уровень – объект при решении задачи сильно изменяется. Для решения требуется перебрать сотни неправильных вариантов.

4) 4 уровень – объект меняется полностью. Для решения необходимо сделать тысячи, десятки тысяч проб и ошибок.

5) 5 уровень – меняется вся техническая система, в которую входит объект. Число проб и ошибок возрастает до сотен тысяч. (Пример: Эдиссону пришлось поставить 50 тысяч опытов, чтобы изобрести щелочной аккумулятор, а мысленных экспериментов – значительно больше).

Задачи высших уровней отличаются не только числом проб. Задачи первого уровня и средства их решения находятся в пределах одной узкой специальности. Задачи второго уровня относятся к одной отрасли техники. Для задач третьего уровня решение приходится искать в других отраслях. Решение задач четвертого уровня надо искать не в технике, а в науке – обычно среди мало применяемых физических и химических эффектов и явлений. На высших подуровнях задач пятого уровня средства решения могут вообще оказаться за пределами современной науки: сначала нужно сделать открытие, а затем решать изобретательскую задачу.

Как видите, чтобы решить задачу высокого уровня, изобрести что-либо на самом деле ценное, необходимо перебрать сотни, тысячи вариантов. Часто на это тратится не один год. Зная законы развития технических систем, и владея теорией решения изобретательских задач, эти тысячи вариантов можно сократить до десятка-двух и выбрать лучший вариант решения.

5. Законы развития техники

В наше время требуется, чтобы задачи высших уровней решались во все более короткие сроки. Знание законов развития технических систем позволяет создавать эффективную технику завтрашнего дня, более экономичную, более производительную, обладающую лучшими эксплуатационными свойствами.

Одна из классификаций законов развития техники предложена .

1 группа – законы, определяющие критерии жизнеспособности новых технических систем:

- наличие и хотя бы минимальная работоспособность составных частей;

- сквозной проход энергии через систему к ее рабочему органу;

- согласование собственных частот колебаний (или периодичности) всех частей системы.

2 группа – законы, характеризующие развитие систем:

- в направлении увеличения степени идеальности;

- в направлении увеличения степени динамичности;

- неравномерно – через возникновение и преодоление технических противоречий;

- до определенного предела, за которым система включается в надсистему в качестве одной из ее частей, при этом развитие на уровне системы резко замедляется или совсем прекращается, заменяясь развитием на уровне надсистемы.

3 группа законов отражает тенденции развития современных систем:

- развитие технических систем идет в направлении увеличения степени управляемости;

- развитие современных технических систем идет в направлении степени дробления (дисперсности) рабочих органов; в особенности типичен переход от рабочих органов на макроуровне и рабочим органом на микроуровне;

- развитие технических систем идет в направлении их объединения друг с другом с целью взаимного использования ресурсов для дальнейшего совершенствования на уровне надсистемы, а также все большего использования глубинных уровней строения материи (вещества) и различных полей. Пример: Компьютер – счетное устройство, кульман, игрушка, кинотеатр, телевизор, проигрыватель, почта, чековая книжка, телефон, видеотелефон, библиотека, печатная машинка, шпионский инструмент. А еще – для путешествий и приключений с реальными ощущениями, автопилот, будильник, таймер, включатель приборов в умном доме, преподаватель при дистанционном обучении и др.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Половинкин, поиска новых технических решений: учеб. / . – М., 1987.

2. Альтшумир, решения изобретательских задач: учеб. / . – М., 1990.