Методы активизации научно-технического творчества

 

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.

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 потребность в новых технических решениях высокого уровня существенно возросла. Требуется высокая производительность, эффективность и качество творческого труда. Чтобы создавать что-то новое, необходимо перестроить стиль мышления, освоить методы творческого решения задач, научиться эффективно думать.

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. Побуждает к творчеству мотивация или побуждение.

 

Мотивация связана с потребностями, которые делят на следующие:

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

– социальные (стремление к вознаграждению, почёту);

– идеальные (потребность познания, в информации).

Наиболее важным для творчества видом мышления является воображение. Ему 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.

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. 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.

ТПчасто указано в условии задачи, если его 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), стекло в маске сварщика должно быть темным, чтобы защищать глаза от ожога, и должно быть прозрачным, чтобы сварщик мог видеть сварной шов.

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.

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.

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 группа людей – генераторов идей выдвигает несколько десятков идей за 20 – 30 минут. При этом запрещена любая критика. При возникновении доброжелательной обстановки новые идеи прорываются из подсознания в сознание и к концу штурма генераторы идей высказывают предложения, не успевая их обдумать. Полученные идеи анализирует группа критиков. 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), письменный индивидуальный, 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.

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. Этапы решения:

– 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 следующие 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, кованая);

– 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 посредством 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.

Группой ученых под руководством А. И. Половинкина создан фонд эвристических приемов. Наиболее полный фонд приёмов (420 шт.) приведен в книге «Методы поиска новых технических решений» под редакцией А. И. Половинкина. 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 проводят 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. Полезно 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. 1), на втором – описание объемом примерно в одну страницу и на третьем уровне – подробное описание ФТЭ на 5 – 8 листах.

Таблица 1

Пример из фонда физико-технических эффектов

Наименование ФТЭ	Вход А	Объект В	Выход С	Краткая сущность ФТЭ
Закон Ома	Эл. поле, напря-женность 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 две 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 и т. д.

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

Алгоритм решения изобретательских задач (АРИЗ). 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 помогает АРИЗ, разработанный Г. С. Альтшуллером, но помогает только тому, кто с алгоритмом работает, тренируется им пользоваться. Тот, кто с алгоритмом работает, тренируется им пользоваться, решая учебные задачи, получает талантливое организованное мышление, которое называют тризным. Умение уверенно работать с алгоритмом возникает при решении около 100 учебных задач. Для ученого-исследователя АРИЗ полезен также тем, что 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 АРИЗ 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 о А и Б или их взаимодействии;

 

– нерегулируемое действие;

 

– преобразование веполя.

 

Виды полей, которые наиболее часто применяют 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.