ТЕХНИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ КАК СРЕДСТВО РАЗВИТИЯ
ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО МЫШЛЕНИЯ БУДУЩИХ ИНЖЕНЕРОВ
Боголюбова И.А., Скроботова Т.В., Федоров О.Л.
Ставропольский аграрный университет
Процесс обучения в техническом вузепредполагает развитие особенностей мышления будущих инженеров, называемыхтехническим мышлением (ТМ), которые определят успешность их работы стехническими объектами начиная с осознания возникшего техническогопротиворечия, последующего поиска физического закона, явления, свойства,применяя которые возможно разрешение технического противоречия, и далееразработки конструкции (машины, механизма, устройства, прибора и т.д.),позволяющих получить качественно новый продукт.
Необходимость развития технического мышления впроцессе обучения была осознанна в начале второй половины ХХ столетия, какестественная реакция системы образования на требования бурно развивающейсясистемы технического обеспечения всех отраслей промышленности страны.
При обучении физике в техническом вузе крометрадиционно решаемых задач обучения и воспитания, должна быть поставлена ирешена задача развития технического мышления, ибо физические законы иявления есть основа большинства технических систем, благодаря чему начинать развитие этого профессионально значимого качества будущих инженеровнужно уже с первых дней обучения. Методики и технологии обучения, включающиеструктурные компоненты, способствующие развитию различных сторон техническогомышления, с 60-70-х годов двадцатого столетия являются объектами творческогопоиска многих исследователей, занятых в сфере профессионального обучения.
Определяя понятие «техническое мышление» в психологических, педагогических и методических исследованиях, выделенынаиболее характерные признаки этого процесса: «Осознанное использованиесовременных научных достижений для решения инженерно-практических задач,«направленность на самостоятельное составление задач и их решение», «решениетехнических задач», «оперирование производственно-техническим материалом». Всвоем исследовании мы опирались на определение понятия «техническое мышление»представленное Мухиной М.В.: техническое мышление есть комплекс интеллектуальныхпроцессов и их результатов, которые обеспечивают решение задачпрофессионально-технической деятельности (конструкторских, технологических,возникающих при обслуживании и т.д.).
Большинством исследователей признается, что развитие технического мышления происходит в результате проблемного оперированияпроизводственно-техническим материалом, т.е. решения технических задач вразличных вариантах.
Исторически проблемные задачи гениальныеодиночки решали эвристическими методами («инсайт»), позже группыисследователей объединялись при решении технических задач методом мозговогоштурма, коллективной атаки и т.д. Однако накопление опыта решения ТЗ привело к разработке методов с набором стандартных приемов ТРИЗ, АРИЗ и др.
Нами разработана методика обучения студентоврешению технических задач стандартизованными методами и с применением базыфизических эффектов и явлений и их параметров, организованных в поисковыйкомпьютерный комплекс « Физический эффект».
Применение стандартизованныхметодов поиска решений технических задач не уничтожает творческий процесс, норационализирует его, позволяя не тратить силы и время на поиск уже известныхметодов решений. Эти методы содержат те закономерности в творческом процессе,которые необходимо знать инженеру, чтобы оптимальным путем получить требуемыйрезультат, преодолеть технические трудности.
Анализ литературы позволяетсделать вывод, что в процессе решения любой технической задачи необходимопройти четыре основных этапа: 1. Постановка задачи; 2. Поиск вариантоврешения; 3. Анализ вариантов решения; 4. Оценка вариантов и выбор решения.
При постановке задачиосуществляется уточнение исходной проблемной ситуации путем определения цели,ограничений и критерия выбора решения.
Все эти категории определяютжелаемое состояние, к которому надо прийти в результате поиска решения.
Цель описывает желаемыйрезультат, соответствующий какой-либо технической или общественной потребности.Определить цель — значит ответить на вопрос: «Что получится в результате решения?»Обычно в формулировке цели указываются два состояния: исходное и конечноежелаемое.
Ограничения указываютусловия, при которых достижение цели можно считать приемлемым. Эти условияобычно имеют вид запретов на изменение или применение чего-либо или, наоборот,указания на необходимость применения определенного средства достижения цели.
Ограничения бывают трехуровней:
— физическая реализуемость(решение должно соответствовать законам природы);
— техническая реализуемость(решение должно соответствовать ресурсам и научно-техническому потенциалуобщества);
— экономическая выгодность.
Критерий выбора решенияотражает тот из наиболее существенных признаков желаемого решения, по которымего можно выделить среди множества возможных решений, обеспечивающих достижениецели при заданных ограничениях. По критерию проводится оптимизация решения.
В результате постановкизадачи получается «модель решения», которая служит ориентиром на последующихэтапах. В силу указанных причин этот этап является исключительно важным.
Модель решения припостановке задачи формулируется на уровне экономики и отчасти техники, а поискрешений ведется сначала на физическом уровне и, лишь затем, переходит натехнический.
Поиск решения техническойзадачи на физическом уровне и составляет основную часть предлагаемойпедагогической методики, которая в процессе обучения физике позволяет студентампараллельно с изучением основных физических законов, решением задач поколичественному и качественному анализу физических законов и явлений, освоитьосновные этапы разрешения технического противоречия путем поиска физическогозакона или явления, на основе которого возможно решение поставленнойтехнической задачи, что является определяющим при развитии техническогомышления,
Поиск решения техническойзадачи сводится к перебору вариантов. Сначала намечается несколько вариантоврешения задачи, затем с помощью анализа определяются характеристики этихвариантов на требуемом уровне, после чего путем сравнения выявленныххарактеристик с моделью решения производится отсев всех непригодных вариантов ивыбор оптимального решения. Другими словами, сначала поле поиска расширяется,затем сужается до одного варианта, т.е. расширяется при синтезе,сохраняется при анализе и сужается при выборе решения.
Перебор вариантов, какуниверсальная стратегия поиска решений в условиях неопределенности, широкораспространен в человеческой деятельности. Наиболее эффективной его формой,рассматриваемой в данной работе, является метод последовательных приближений,когда каждый последующий вариант уточняет предыдущий вариант решения,приближаясь к оптимальному решению.
Наиболее рациональнымявляется направленный поиск оптимального решения. Чтобы поиск былнаправленным, надо уметь сформировать поисковые ограничения, выводящие врайонпредпочтительного решения задачи. Сделать поиск техническихрешений направленным можно, лишь представляя эти решения как закономерные этапыв прогрессивном развитии техники. К настоящему времени выявлено достаточноеколичество законов прогрессивного развития объектов техники, однако этот вопросне является предметом нашего исследования, поэтому мы будем использоватьимеющийся материал по мере необходимости.
В нашем исследовании студенты учатся решать технические задачи на усовершенствование техническихобъектов. Под техническим объектом будем понимать некоторое целостное единствовзаимосвязанных материальных элементов. При решении технической задачи учебногоплана на практических занятиях по физике будем ограничиваться оптимальнымпринципиальным решением, не рассматривая его конструктивных особенностей.
Итак, рассмотрим подробнеевышеуказанные этапы решения технических задач. Решение любой поставленнойзадачи начинается с формулирования противоречия, т.е. трудностей, которыенеобходимо преодолеть, чтобы решить ее. Противоречия делятся наадминистративные (АП), технические (ТП), физические (ФП).
Административноепротиворечие обычно лежит на поверхности: нужно что-то сделать, а как этосделать неизвестно. В глубине АП лежит ТП: если известным способом улучшитьодну часть (один параметр) технического объекта, то недопустимо ухудшится егодругая часть (другой параметр). Часто ТП требует корректировки. Правильнаяпостановка ТП позволяет отбросить многие неэффективные варианты решений. Вглубине ТП скрыто ФП: к одной и той же части объекта предъявляются взаимнопротивоположные требования, т.е. технический объект должен обладать свойствоми антисвойством.
Процесс решения задачи естьпроцесс определенной последовательности операций по выявлению, уточнению ипреодолению ФП и ТП.
Направленность мышлениядостигается ориентировкой на идеальный конечный результат – идеальныйтехнический объект (способ, идеальное устройство, машину).
Понятие об идеальном объектеесть одно из самых фундаментальных для всей методики поиска техническихрешений. Идеальный объект – это когда объекта нет, а результат, получается тотже, что и при его присутствии. Чтобы получить этот результат или приблизится кнему, в конечном счете, надо устранить физическое противоречие.
Для нахождения и устранения физического противоречия разработаны различные специальные алгоритмы: фондзадач-аналогов, фонд специальных приемов – операторов [2], фонд физическихэффектов и явлений, с помощью которого можно определять эффекты наиболееподходящие для преодоления содержащихся в задаче противоречий, а также фондкомплексных стандартных приемов (стандартов) – особо сильные сочетания приемовразрешения противоречий.
С учетом вышеизложенного и на основании анализа данныхработ[1-3], предлагаем следующий алгоритм решения технической задачи, каксредства развития технического мышления студентов, представленный в таблице.
ТаблицаНаименование этапа решения технической задачи Содержание Постановка задачи.
1.Ознакомление с условиями технической задачи:
-выявление технического объекта;
-построение схемы технического объекта (принципа действия).
2.Определения конечной цели решения задачи:
— определение изменяемой характеристики объекта (какую характеристику надо изменить);
— определение неизменяемой характеристики объекта (какую характеристику заведомо нельзя менять при решении задачи). Конкретизация условий, построение модели задачи.
1. Определение физического принципа положенного в основу работы технического объекта.
2. Выявление конфликтующей пары характеристик объекта (изменяемой и неизменяемой). Анализ модели задачи.
1. Формулировка технического противоречия.
2. Формулировка физического противоречия. Нахождение принципиального решения технической задачи.
1. Формулировка идеального конечного результата.
2.Устранение физического противоречия и нахождение принципиального решения в физической форме при помощи:
-фонда типовых моделей задач-аналогов;
-фонда стандартных приемов устранения физических противоречий;
-фонда физических эффектов и явлений;
3. Переход от физической формы решения задачи к технической (снятие технического противоречия):
— формулировка способа работы объекта;
— разработка принципиальной схемы объекта реализующей этот способ. Оценка полученного решения технической задачи
Проверка степени соответствия полученного решения идеальному конечному результату.
В случае недостаточной степени соответствия возможно повторения поиска решения, начиная с любого пункта с измененными (уточненными) поисковыми ограничениями.
Необходимо отметить, чтооценка полученного решения на эффективность с точки зрения вышеуказанныхпоисковых ограничений, является очень важным этапом решения технической задачи,т.к. максимально способствует развитию элементов технического мышления уобучаемых.
Методы выявления, анализа иразрешения противоречий, аппарат структурного синтеза, основные понятия логикипоиска являются основополагающими базовыми элементами развития техническогомышления в целом. Поэтому обучение студентов этим базовым элементам естьоснова предлагаемой методики.
Рассмотрим применение представленного алгоритма решениятехнической задачи на примере.
Задача. Ведущий вал вращается со скоростью от 400 до 4000об/мин. Ведомый вал должен постоянно иметь 400 об/мин. Как это осуществить? (рис.1)
/> />
а б
/>
в
/> />
д г
Рисунок 1.Схема саморегулируемой передачи.
Сформулируем задачу(постановка задачи): задача напостроение. Нужны две подсистемы: одна передает вращение, другая управляетчислом оборотов, вернее – передаточным отношением. В этом примере изменяемымихарактеристиками являются число оборотов ведущего вала и габариты объекта,неизменяемыми – число оборотов ведомого вала, соосность валов. Условная схемаобъекта показана на рис.1а.
Конкретизация условий,построение модели задачи:
— подсистема передачи вращения должна бытьлегкоуправляемой;
— на входе и выходе должнабыть механическая энергия вращения;
— преобразование числаоборотов производится по программе.
Для механической передачи сучетом указанных условий можно найти легкоуправляемый вариант, например,фрикционная (лобовая) передача (модель задачи для подсистемы передачивращения – см. рис.1б ).
Выявляем конфликтующую парухарактеристик подсистемы передачи вращения объекта анализируем модель задачи(формулируем ТП1): ведомый и ведущий валы должны быть сосны, а впредложенной модели задачи этой подсистемы они не соосны (ТП). ФормулируемФП1: валы должны быть сосны и валы не должны быть соосны.
Нахождениепринципиального решения технической задачи для первой подсистемы.
Формулировка идеальногоконечногорезультата для первой подсистемы: валы сами должныустранить вредноесвойство – несоосность.
Разрешение ФП1ТП1 первой подсистемы:можно ввести преобразование в пространстве – зубчатую передачу, а чтобы она немешала, сместить одно зубчатое колесо на край, а другое объединить с ведущимфрикционом (рис.1в).
Сформулируем модельзадачи для подсистемы управления передаточным отношением: использоватьэнергопоток уже имеющий необходимую пространственно-временную организацию, аименно – ведущий (входной) вал. На него надо навесить центробежный регулятор идвигать с его помощью ведомый фрикционный диск ( рис. 1г ).
Выявляем конфликтующую парувторой подсистемы, анализируем модель задачи (формулируем ТП2):центробежный регулятор – фрикционная передача, т. к. программу перемещения ведомого фрикционного колеса при изменении оборотов ведущего вала труднореализовать: центробежная сила пропорциональна квадрату числа оборотов, аперемещение фрикционного колеса должно быть пропорционально первой степени. ФормулируемФП2: центробежная сила должна быть пропорциональнаквадрату числа оборотов вала и не должна бытьпропорциональна квадратучисла оборотов.Нахождение принципиального решения технической задачи длявторой подсистемы.
Формулировка идеальногоконечного результата для второй подсистемы: центробежный регулятор ифрикционная передача должны сами устранять вредное свойство.
Разрешение ФП2 иТП2 второй подсистемы:в данном случае можно использовать Стандарт № 3 – введением между двумявзаимодействующими объектами (центробежный регулятор с ведущим валом и ведомыйвал) третьего объекта являющегося видоизменением одного из них: пружиныпеременной жесткости.
На основании изложенногостановится ясным способ работы объекта и принципиальная схема его реализации(см. рис.1д).
Приведенный выше примеррешения технической задачи наглядно демонстрирует применение алгоритма и некоторых стандартных решений. Однако такие задачи целесообразно предлагать студентам уже имеющим некоторый опыт применения алгоритма и стандартоврешения технических задач, т.е. в конце первого и на втором году обученияфизике.
Применяемый алгоритм показывает путь решения технической задачи, но не уменьшает трудоемкости еерешения. При выполнении действий по устранению физического противоречиястудентам приходится самостоятельно знакомится с большим объемом литературыдля выявления физических эффектов и явлений, на основе которых можно строитьрешение задачи. Первокурсникам, которые только начинают изучать физику и находятся в начале процесса развития навыков решения технических задач, мыпредлагаем в помощь, разработанную нами компьютерную программу
«Физический эффект». Названная программа представляетсобой совокупность клиентского приложения и базы данных. Клиентское приложение предоставляет пользовательский интерфейс для управлениями двумя списками:списком физических эффектов и списком физических параметров. Приложениепредоставляет средства для определения по заданному набору физическихпараметров конечного множества физических эффектов, которые оказывают влияниена значения этих параметров. Также можно определить конечное множествофизических параметров, характеризующих тот или иной физический эффект.
Приведем пример решениятехнической задачи с помощью программы «Физический эффект».
Задача. Необходимо определить момент началазакипания смеси жидкостей, находящейся в не прозрачном герметичном реакторе.Пар над смесью жидкостей имеет постоянно изменяющееся давление, температуру иконцентрацию веществ. Теоретический расчет, как и визуальное наблюдениеневозможны.
Постановка задачи.
1. Цель: поиск физического эффекта, позволяющегоопределить начало закипания смеси жидкостей.
2. Ограничения: 1. Визуальное наблюдениеисключено. 2. Непрерывное изменение режима исключает возможность определенияначала закипания по величине температуры, давлению или концентрации вещества.
3. Изучим, особенности начала кипения,воспользовавшись описанием явления в программе «Физ. эффект». Одним изпризнаков начала закипания жидкости является возникновение на гладкой испокойной поверхности неровностей и бугров при всплывании и разрыве пузырьковпара над поверхностью жидкости в момент начала кипения. Кроме того, возникаетхарактерный шум при бурлении жидкости.
4. Изменяемые параметры: изменение формыповерхности (бурление),
характерный шум, капиллярное давление, давление наповерхность, фазовый переход, давление насыщенных паров.
Макет решения.
Бурление поверхности жидкости приводит кнеобходимости использования стандарта, рекомендующего использовать поле дляопределения состояния вещества, например ультразвуковое, звуковое.
1. То есть, определение начала кипения, возможно, осуществить методом ультразвуковой локации поверхности жидкости.Решение хорошее, но необходим источник и приемник ультразвука. Что невсегда экономически оправдано.
2. Второе решение проще и приближается кИКР. Когда сама поверхность может сигнализировать об изменении ее состояния,порождая звуковое поле. На поверхность жидкости помещают поплавок, к которомуприкреплена стойка с колокольчиком. В момент начала кипения колокольчик будетиздавать звуковые сигналы.
3. Третье решение так же является простым.На поверхность жидкости помещается пластмассовая чашечка перевернутая вверхдном, в дне закреплены два электрода так, что до закипания жидкости контактызамкнуты.На крышке реактора горит сигнальная лампочка. В момент закипания подкрышкой собирается пар, контакты размыкаются и сигнальная лампочка гаснет.
Решение задачи позволяет продемонстрироватьучащимся, как особенности происходящего физического процесса могут служитьдля создания методов его контроля.
Внедряя, в процесс обученияфизике будущих инженеров методику решения технических задач мы, достигаемнескольких эффектов: 1) В процессе решения технической задачи студенты болееглубоко осмысливают физические законы, явления и эффекты в данном разделе; 2)устраняя техническое противоречие посредством выбора того или иного физическогоявления, студент осуществляет операции анализа, синтеза, сравнения вприменении к конкретному техническому объекту, что, во первых, развивает
логический, образный, действенный и понятийныйкомпоненты мышления, которые являются определяющими при формированиитехнического мышления; во-вторых, студент – будущий инженер усваивает методыразработки технических объектов, и, в-третьих, важным является то, чтостуденты усваивают на практике тесную связь физики и техники. Физика становится живым, активно действующим во всех технических объектах предметом,а не сухой, сложной и не всегда понятной наукой.