ТЕХНІЧНІ ЗАВДАННЯ ЯК ЗАСІБ РОЗВИТКУ
ПРОФЕСІЙНОГО МИСЛЕННЯ МАЙБУТНІХ ІНЖЕНЕРІВ
Боголюбова І.А. , Скроботова Т.В., Федоров О.Л.
Ставропольський аграрний університет
Процес навчання в технічному вузі передбачає розвиток особливостей мислення майбутніх інженерів, званих технічним мисленням (ТМ), які визначать успішність їх роботи з технічними об'єктами починаючи з усвідомлення виник технічного протиріччя, подальшого пошуку фізичного закону, явища, властивості, застосовуючи які можливо дозвіл технічного протиріччя, і далі розробки конструкції (машини, механізму, пристрою, приладу і т.д.), що дозволяють отримати якісно новий продукт.
Необхідність розвитку технічного мислення в процесі навчання була усвідомлена на початку другої половини ХХ століття, як природна реакція системи освіти на вимоги бурхливо розвивається системи технічного забезпечення всіх галузей промисловості країни.
При навчанні фізики в технічному вузі крім традиційно розв'язуваних завдань навчання і виховання, повинна бути поставлена і вирішена задача розвитку технічного мислення, бо фізичні закони і явища є основа більшості технічних систем, завдяки чому починати розвиток цього професійно значущої якості майбутніх інженерів потрібно вже з перших днів навчання. Методики та технології навчання, що включають структурні компоненти, що сприяють розвитку різних сторін технічного мислення, з 60-70-х років двадцятого сторіччя є об'єктами творчого пошуку багатьох дослідників, зайнятих у сфері професійного навчання.
Визначаючи поняття «технічне мислення» у психологічних, педагогічних і методичних дослідженнях, виділені найбільш характерні ознаки цього процесу: «Усвідомлене використання сучасних наукових досягнень для вирішення інженерно-практичних завдань,« спрямованість на самостійне складання завдань та їх вирішення »,« вирішення технічних завдань » , «оперування виробничо-технічним матеріалом». У своєму дослідженні ми спиралися на визначення поняття «технічне мислення» представлене Мухіної М.В.: технічне мислення є комплекс інтелектуальних процесів та їх результатів, які забезпечують вирішення завдань професійно-технічної діяльності (конструкторських, технологічних, що виникають при обслуговуванні і т.д. ).
Більшістю дослідників визнається, що розвиток технічного мислення відбувається в результаті проблемного оперування виробничо-технічним матеріалом, тобто вирішення технічних завдань у різних варіантах.
Історично проблемні завдання геніальні одинаки вирішували евристичними методами («інсайт»), пізніше групи дослідників об'єднувалися при вирішенні технічних задач методом мозкового штурму, колективної атаки і т.д. Однак накопичення досвіду вирішення ТЗ призвело до розробки методів з набором стандартних прийомів ТРВЗ, АРИЗ та ін
Нами розроблена методика навчання студентів вирішення технічних завдань стандартизованими методами і з застосуванням бази фізичних ефектів і явищ та їх параметрів, організованих в пошуковий комп'ютерний комплекс «Фізичний ефект».
Застосування стандартизованих методів пошуку рішень технічних завдань не знищує творчий процес, але раціоналізує його, дозволяючи не витрачати сили і час на пошук вже відомих методів рішень. Ці методи містять ті закономірності в творчому процесі, які необхідно знати інженеру, щоб оптимальним шляхом отримати необхідний результат, подолати технічні труднощі.
Аналіз літератури дозволяє зробити висновок, що в процесі вирішення будь-якої технічної задачі необхідно пройти чотири основних етапи: 1. Постановка завдання; 2. Пошук варіантів рішення; 3. Аналіз варіантів рішення; 4. Оцінка варіантів і вибір рішення.
При постановці завдання здійснюється уточнення вихідної проблемної ситуації шляхом визначення мети, обмежень і критерію вибору рішення.
Всі ці категорії визначають бажаний стан, до якого треба прийти в результаті пошуку рішення.
Мета описує бажаний результат, відповідний який-небудь технічної або суспільної потреби. Визначити мету - значить відповісти на запитання: «Що вийде в результаті рішення?» Зазвичай у формулюванні мети вказуються два стани: поточна й кінцеве бажане.
Обмеження вказують умови, за яких досягнення мети можна вважати прийнятним. Ці умови зазвичай мають вигляд заборон на зміну або застосування чого-небудь або, навпаки, вказівки на необхідність застосування певного засобу досягнення мети.
Обмеження бувають трьох рівнів:
- Фізична реалізованість (рішення має відповідати законам природи);
- Технічна реалізація (рішення повинно відповідати ресурсів і науково-технічному потенціалу суспільства);
- Економічна вигідність.
Критерій вибору рішення відображає той з найбільш істотних ознак бажаного рішення, за якими його можна виділити серед безлічі можливих рішень, що забезпечують досягнення мети при заданих обмеженнях. За критерієм проводиться оптимізація рішення.
У результаті постановки завдання виходить «модель вирішення», яка служить орієнтиром на наступних етапах. У силу зазначених причин цей етап є виключно важливим.
Модель рішення при постановці завдання формулюється на рівні економіки і частково техніки, а пошук рішень ведеться спочатку на фізичному рівні і, лише потім, переходить на технічний.
Пошук рішення технічної задачі на фізичному рівні і складає основну частину пропонованої педагогічної методики, яка в процесі навчання фізики дозволяє студентам паралельно з вивченням основних фізичних законів, рішенням завдань по кількісному і якісному аналізу фізичних законів і явищ, освоїти основні етапи вирішення технічного протиріччя шляхом пошуку фізичного закону або явища, на основі якого можливе вирішення поставленої технічної задачі, що є визначальним при розвитку технічного мислення,
Пошук рішення технічної задачі зводиться до перебору варіантів. Спочатку намічається кілька варіантів вирішення задачі, потім за допомогою аналізу визначаються характеристики цих варіантів на необхідному рівні, після чого шляхом порівняння виявлених характеристик з моделлю рішення проводиться відсів всіх непридатних варіантів і вибір оптимального рішення. Іншими словами, спочатку поле пошуку розширюється, потім звужується до одного варіанту, тобто розширюється при синтезі, зберігається при аналізі і звужується при виборі рішення.
Перебір варіантів, як універсальна стратегія пошуку рішень в умовах невизначеності, широко поширений в людській діяльності. Найбільш ефективною його формою, що розглядається в даній роботі, є метод послідовних наближень, коли кожний наступний варіант уточнює попередній варіант рішення, наближаючись до оптимального рішення.
Найбільш раціональним є спрямований пошук оптимального рішення. Щоб пошук був спрямований, треба вміти сформувати пошукові обмеження, що виводять в район пріоритетним виконання завдання. Зробити пошук технічних рішень спрямованим можна, лише представляючи ці рішення як закономірні етапи в прогресивному розвитку техніки. До теперішнього часу виявлено достатню кількість законів прогресивного розвитку об'єктів техніки, проте це питання не є предметом нашого дослідження, тому ми будемо використовувати наявний матеріал у міру необхідності.
У нашому дослідженні студенти вчаться вирішувати технічні завдання на удосконалення технічних об'єктів. Під технічним об'єктом будемо розуміти деякий цілісну єдність взаємозалежних матеріальних елементів. При вирішенні технічної завдання навчального плану на практичних заняттях з фізики будемо обмежуватися оптимальним принциповим рішенням, не розглядаючи його конструктивних особливостей.
Отже, розглянемо докладніше вищевказані етапи вирішення технічних завдань. Рішення будь-якої поставленої задачі починається з формулювання суперечності, тобто труднощів, які необхідно подолати, щоб вирішити її. Суперечності поділяються на адміністративні (АП), технічні (ТП), фізичні (ФП).
Адміністративне протиріччя звичайно лежить на поверхні: треба щось зробити, а як це зробити невідомо. У глибині АП лежить ТП: якщо відомим способом поліпшити одну частину (один параметр) технічного об'єкта, то неприпустимо погіршиться інша його частина (інший параметр). Часто ТП вимагає коректування. Правильна постановка ТП дозволяє відкинути багато неефективних варіанти рішень. У глибині ТП приховано ФП: до однієї і тієї ж частини об'єкта пред'являються взаємно протилежні вимоги, тобто технічний об'єкт повинен мати властивість і антісвойством.
Процес рішення задачі є процес певної послідовності операцій з виявлення, уточнення і подолання ФП і ТП.
Спрямованість мислення досягається орієнтуванням на ідеальний кінцевий результат - ідеальний технічний об'єкт (спосіб, ідеальний пристрій, машину).
Поняття про ідеальне об'єкті є одне з фундаментальних для всієї методики пошуку технічних рішень. Ідеальний об'єкт - це коли об'єкта немає, а результат, виходить той же, що і за його присутності. Щоб отримати цей результат або наблизиться до нього, в кінцевому рахунку, треба усунути фізичне протиріччя.
Для знаходження та усунення фізичного протиріччя розроблені різні спеціальні алгоритми: фонд задач-аналогів, фонд спеціальних прийомів - операторів [2], фонд фізичних ефектів і явищ, за допомогою якого можна визначати ефекти найбільш підходящі для подолання містяться в задачі протиріч, а також фонд комплексних стандартних прийомів (стандартів) - особливо сильні поєднання прийомів вирішення протиріч.
З урахуванням вищевикладеного та на підставі аналізу даних робіт [1-3], пропонуємо наступний алгоритм розв'язання технічного завдання, як засобу розвитку технічного мислення студентів, поданий у таблиці.
Таблиця
Необхідно відзначити, що оцінка отриманого рішення на ефективність з точки зору вищевказаних пошукових обмежень, є дуже важливим етапом вирішення технічного завдання, тому що максимально сприяє розвитку елементів технічного мислення в учнів.
Методи виявлення, аналізу та розв'язання суперечностей, апарат структурного синтезу, основні поняття логіки пошуку є основоположними базовими елементами розвитку технічного мислення в цілому. Тому навчання студентів цим базовим елементам є основа пропонованої методики.
Розглянемо застосування представленого алгоритму розв'язання технічного завдання на прикладі.
Завдання. Ведучий вал обертається зі швидкістю від 400 до 4000 об / хв. Ведений вал повинен постійно мати 400 об / хв. Як це здійснити? (Рис.1)
а б
в
д р
Малюнок 1. Схема саморегулівної передачі.
Сформулюємо задачу (постановка завдання): завдання на побудову. Потрібні дві підсистеми: одна передає обертання, інша управляє числом оборотів, вірніше - передавальним відношенням. У цьому прикладі змінними характеристиками є число оборотів провідного валу і габарити об'єкта, незмінними - число обертів веденого вала, співвісність валів. Умовна схема об'єкта показана на рис.1а.
Конкретизація умов, побудова моделі задачі:
- Підсистема передачі обертання повинна бути легкокерованою;
- На вході і виході має бути механічна енергія обертання;
- Перетворення числа обертів проводиться за програмою.
Для механічної передачі з урахуванням зазначених умов можна знайти легкокерованою варіант, наприклад, фрикційна (лобова) передача (модель задачі для підсистеми передачі обертання - див рис.1б).
Виявляємо конфліктуючих пару характеристик підсистеми передачі обертання об'єкта аналізуємо модель задачі (формулюємо ТП 1): ведений і ведучий вали повинні бути сосни, а у запропонованій моделі завдання цієї підсистеми вони не соосни (ТП). Формулюємо ФП 1: вали повинні бути сосни і вали не повинні бути соосни.
Знаходження принципового рішення технічної задачі для першої підсистеми.
Формулювання ідеального кінцевого результату для першої підсистеми: вали самі повинні усунути шкідливий властивість - неспіввісність.
Дозвіл ФП 1 ТП 1 першої підсистеми: можна ввести перетворення в просторі - зубчасту передачу, а щоб вона не заважала, змістити одне зубчасте колесо на край, а інше об'єднати з провідним фрикціоном (ріс.1в).
Сформулюємо модель задачі для підсистеми управління передавальним відношенням: використовувати енергопотік вже має необхідну просторово-часову організацію, а саме - ведучий (вхідний) вал. На нього треба навісити відцентровий регулятор і рухати з його допомогою ведений фрикційний диск (рис. 1г).
Виявляємо конфліктуючих пару друге підсистеми, аналізуємо модель задачі (формулюємо ТП 2): відцентровий регулятор - фрикційна передача, тому що програму переміщення веденого фрикційного колеса при зміні оборотів провідного вала важко реалізувати: відцентрова сила пропорційна квадрату числа обертів, а переміщення фрикційного колеса має бути пропорційно першого ступеня. Формулюємо ФП 2: відцентрова сила повинна бути пропорційна квадрату числа оборотів валу і не повинна бути пропорційна квадрату числа обертів. Знаходження принципового рішення технічної задачі для другої підсистеми.
Формулювання ідеального кінцевого результату для другої підсистеми: відцентровий регулятор і фрикційна передача повинні самі усувати шкідливий властивість.
Дозвіл ФП 2 і ТП 2 других підсистеми: в даному випадку можна використовувати Стандарт № 3 - введенням між двома взаємодіючими об'єктами (відцентровий регулятор з провідним валом і ведений вал) третього об'єкта є видозміною одного з них: пружини змінної жорсткості.
На підставі викладеного стає ясним спосіб роботи об'єкту і принципова схема його реалізації (див. ріс.1д).
Наведений вище приклад розв'язання технічного завдання наочно демонструє застосування алгоритму і деяких стандартних рішень. Однак такі задачі доцільно пропонувати студентам вже мають певний досвід застосування алгоритму і стандартів вирішення технічних завдань, тобто в кінці першого і на другому році навчання фізики.
Застосовуваний алгоритм показує шлях розв'язання технічного завдання, але не зменшує трудомісткості її рішення. При виконанні дій по усуненню фізичного протиріччя студентам доводиться самостійно знайомиться з великим обсягом літератури для виявлення фізичних ефектів і явищ, на основі яких можна будувати вирішення завдання. Першокурсникам, які тільки починають вивчати фізику і знаходяться на початку процесу розвитку навичок вирішення технічних завдань, ми пропонуємо на допомогу, розроблену нами комп'ютерну програму
«Фізичний ефект». Названа програма являє собою сукупність клієнтського додатка і бази даних. Клієнтський додаток надає користувальницький інтерфейс для управліннями двома списками: списком фізичних ефектів і списком фізичних параметрів. Програма надає засоби для визначення по заданому набору фізичних параметрів кінцевого безлічі фізичних ефектів, які впливають на значення цих параметрів. Також можна визначити кінцеве безліч фізичних параметрів, що характеризують той чи інший фізичний ефект.
Наведемо приклад розв'язання технічного завдання за допомогою програми «Фізичний ефект».
Завдання. Необхідно визначити момент початку закипання суміші рідин, що знаходиться в не прозорому герметичному реакторі. Пар над сумішшю рідин має постійно змінюється тиск, температуру і концентрацію речовин. Теоретичний розрахунок, як і візуальне спостереження неможливі.
Постановка завдання.
1. Мета: пошук фізичного ефекту, що дозволяє визначити початок закипання суміші рідин.
2. Обмеження: 1. Візуальне спостереження виключено. 2. Безперервна зміна режиму виключає можливість визначення початку закипання за величиною температури, тиску або концентрації речовини.
3. Вивчимо, особливості початку кипіння, скориставшись описом явища в програмі «Фіз. ефект ». Однією з ознак початку закипання рідини є виникнення на гладкій і спокійній поверхні нерівностей і бугрів за Спливання і розриві бульбашок пари над поверхнею рідини в момент початку кипіння. Крім того, виникає характерний шум при нуртування рідини.
4. Змінні параметри: зміна форми поверхні (нуртування),
характерний шум, капілярний тиск, тиск на поверхню, фазовий перехід, тиск насичених парів.
Макет рішення.
Бурління поверхні рідини призводить до необхідності використання стандарту, що рекомендує використовувати поле для визначення стану речовини, наприклад ультразвукове, звукове.
1. Тобто, визначення початку кипіння, можливо, здійснити методом ультразвукової локації поверхні рідини. Рішення хороше, але необхідне джерело і приймач ультразвуку. Що не завжди економічно виправдано.
2. Друге рішення простіше і наближається до ДКР. Коли сама поверхня може сигналізувати про зміну її стану, породжуючи звукове поле. На поверхню рідини поміщають поплавець, до якого прикріплена стійка з дзвіночком. У момент початку кипіння дзвіночок буде видавати звукові сигнали.
3. Третє рішення так само є простим. На поверхню рідини поміщається пластмасова чашка перевернута догори дном, в дні закріплені два електроди так, що до закипання рідини контакти замкнути.На кришці реактора горить сигнальна лампочка. У момент закипання під кришкою збирається пар, контакти розмикаються і сигнальна лампочка гасне.
Рішення задачі дозволяє продемонструвати учням, як особливості того, що відбувається фізичного процесу можуть служити для створення методів його контролю.
Впроваджуючи, в процес навчання фізики майбутніх інженерів методику вирішення технічних завдань ми, досягаємо декількох ефектів: 1) У процесі розв'язання технічного завдання студенти більш глибоко осмислюють фізичні закони, явища і ефекти в даному розділі; 2) усуваючи технічне протиріччя за допомогою вибору того чи іншого фізичного явища, студент здійснює операції аналізу, синтезу, порівняння в застосуванні до конкретного технічного об'єкту, що, по-перше, розвиває
логічний, образний, дієвий і понятійний компоненти мислення, які є визначальними при формуванні технічного мислення, по-друге, студент - майбутній інженер засвоює методи розробки технічних об'єктів, і, по-третє, важливим є те, що студенти засвоюють на практиці тісний зв'язок фізики і техніки. Фізика стає живим, активно діючим у всіх технічних об'єктах предметом, а не сухий, складною і не завжди зрозумілою наукою.
ПРОФЕСІЙНОГО МИСЛЕННЯ МАЙБУТНІХ ІНЖЕНЕРІВ
Боголюбова І.А. , Скроботова Т.В., Федоров О.Л.
Ставропольський аграрний університет
Процес навчання в технічному вузі передбачає розвиток особливостей мислення майбутніх інженерів, званих технічним мисленням (ТМ), які визначать успішність їх роботи з технічними об'єктами починаючи з усвідомлення виник технічного протиріччя, подальшого пошуку фізичного закону, явища, властивості, застосовуючи які можливо дозвіл технічного протиріччя, і далі розробки конструкції (машини, механізму, пристрою, приладу і т.д.), що дозволяють отримати якісно новий продукт.
Необхідність розвитку технічного мислення в процесі навчання була усвідомлена на початку другої половини ХХ століття, як природна реакція системи освіти на вимоги бурхливо розвивається системи технічного забезпечення всіх галузей промисловості країни.
При навчанні фізики в технічному вузі крім традиційно розв'язуваних завдань навчання і виховання, повинна бути поставлена і вирішена задача розвитку технічного мислення, бо фізичні закони і явища є основа більшості технічних систем, завдяки чому починати розвиток цього професійно значущої якості майбутніх інженерів потрібно вже з перших днів навчання. Методики та технології навчання, що включають структурні компоненти, що сприяють розвитку різних сторін технічного мислення, з 60-70-х років двадцятого сторіччя є об'єктами творчого пошуку багатьох дослідників, зайнятих у сфері професійного навчання.
Визначаючи поняття «технічне мислення» у психологічних, педагогічних і методичних дослідженнях, виділені найбільш характерні ознаки цього процесу: «Усвідомлене використання сучасних наукових досягнень для вирішення інженерно-практичних завдань,« спрямованість на самостійне складання завдань та їх вирішення »,« вирішення технічних завдань » , «оперування виробничо-технічним матеріалом». У своєму дослідженні ми спиралися на визначення поняття «технічне мислення» представлене Мухіної М.В.: технічне мислення є комплекс інтелектуальних процесів та їх результатів, які забезпечують вирішення завдань професійно-технічної діяльності (конструкторських, технологічних, що виникають при обслуговуванні і т.д. ).
Більшістю дослідників визнається, що розвиток технічного мислення відбувається в результаті проблемного оперування виробничо-технічним матеріалом, тобто вирішення технічних завдань у різних варіантах.
Історично проблемні завдання геніальні одинаки вирішували евристичними методами («інсайт»), пізніше групи дослідників об'єднувалися при вирішенні технічних задач методом мозкового штурму, колективної атаки і т.д. Однак накопичення досвіду вирішення ТЗ призвело до розробки методів з набором стандартних прийомів ТРВЗ, АРИЗ та ін
Нами розроблена методика навчання студентів вирішення технічних завдань стандартизованими методами і з застосуванням бази фізичних ефектів і явищ та їх параметрів, організованих в пошуковий комп'ютерний комплекс «Фізичний ефект».
Застосування стандартизованих методів пошуку рішень технічних завдань не знищує творчий процес, але раціоналізує його, дозволяючи не витрачати сили і час на пошук вже відомих методів рішень. Ці методи містять ті закономірності в творчому процесі, які необхідно знати інженеру, щоб оптимальним шляхом отримати необхідний результат, подолати технічні труднощі.
Аналіз літератури дозволяє зробити висновок, що в процесі вирішення будь-якої технічної задачі необхідно пройти чотири основних етапи: 1. Постановка завдання; 2. Пошук варіантів рішення; 3. Аналіз варіантів рішення; 4. Оцінка варіантів і вибір рішення.
При постановці завдання здійснюється уточнення вихідної проблемної ситуації шляхом визначення мети, обмежень і критерію вибору рішення.
Всі ці категорії визначають бажаний стан, до якого треба прийти в результаті пошуку рішення.
Мета описує бажаний результат, відповідний який-небудь технічної або суспільної потреби. Визначити мету - значить відповісти на запитання: «Що вийде в результаті рішення?» Зазвичай у формулюванні мети вказуються два стани: поточна й кінцеве бажане.
Обмеження вказують умови, за яких досягнення мети можна вважати прийнятним. Ці умови зазвичай мають вигляд заборон на зміну або застосування чого-небудь або, навпаки, вказівки на необхідність застосування певного засобу досягнення мети.
Обмеження бувають трьох рівнів:
- Фізична реалізованість (рішення має відповідати законам природи);
- Технічна реалізація (рішення повинно відповідати ресурсів і науково-технічному потенціалу суспільства);
- Економічна вигідність.
Критерій вибору рішення відображає той з найбільш істотних ознак бажаного рішення, за якими його можна виділити серед безлічі можливих рішень, що забезпечують досягнення мети при заданих обмеженнях. За критерієм проводиться оптимізація рішення.
У результаті постановки завдання виходить «модель вирішення», яка служить орієнтиром на наступних етапах. У силу зазначених причин цей етап є виключно важливим.
Модель рішення при постановці завдання формулюється на рівні економіки і частково техніки, а пошук рішень ведеться спочатку на фізичному рівні і, лише потім, переходить на технічний.
Пошук рішення технічної задачі на фізичному рівні і складає основну частину пропонованої педагогічної методики, яка в процесі навчання фізики дозволяє студентам паралельно з вивченням основних фізичних законів, рішенням завдань по кількісному і якісному аналізу фізичних законів і явищ, освоїти основні етапи вирішення технічного протиріччя шляхом пошуку фізичного закону або явища, на основі якого можливе вирішення поставленої технічної задачі, що є визначальним при розвитку технічного мислення,
Пошук рішення технічної задачі зводиться до перебору варіантів. Спочатку намічається кілька варіантів вирішення задачі, потім за допомогою аналізу визначаються характеристики цих варіантів на необхідному рівні, після чого шляхом порівняння виявлених характеристик з моделлю рішення проводиться відсів всіх непридатних варіантів і вибір оптимального рішення. Іншими словами, спочатку поле пошуку розширюється, потім звужується до одного варіанту, тобто розширюється при синтезі, зберігається при аналізі і звужується при виборі рішення.
Перебір варіантів, як універсальна стратегія пошуку рішень в умовах невизначеності, широко поширений в людській діяльності. Найбільш ефективною його формою, що розглядається в даній роботі, є метод послідовних наближень, коли кожний наступний варіант уточнює попередній варіант рішення, наближаючись до оптимального рішення.
Найбільш раціональним є спрямований пошук оптимального рішення. Щоб пошук був спрямований, треба вміти сформувати пошукові обмеження, що виводять в район пріоритетним виконання завдання. Зробити пошук технічних рішень спрямованим можна, лише представляючи ці рішення як закономірні етапи в прогресивному розвитку техніки. До теперішнього часу виявлено достатню кількість законів прогресивного розвитку об'єктів техніки, проте це питання не є предметом нашого дослідження, тому ми будемо використовувати наявний матеріал у міру необхідності.
У нашому дослідженні студенти вчаться вирішувати технічні завдання на удосконалення технічних об'єктів. Під технічним об'єктом будемо розуміти деякий цілісну єдність взаємозалежних матеріальних елементів. При вирішенні технічної завдання навчального плану на практичних заняттях з фізики будемо обмежуватися оптимальним принциповим рішенням, не розглядаючи його конструктивних особливостей.
Отже, розглянемо докладніше вищевказані етапи вирішення технічних завдань. Рішення будь-якої поставленої задачі починається з формулювання суперечності, тобто труднощів, які необхідно подолати, щоб вирішити її. Суперечності поділяються на адміністративні (АП), технічні (ТП), фізичні (ФП).
Адміністративне протиріччя звичайно лежить на поверхні: треба щось зробити, а як це зробити невідомо. У глибині АП лежить ТП: якщо відомим способом поліпшити одну частину (один параметр) технічного об'єкта, то неприпустимо погіршиться інша його частина (інший параметр). Часто ТП вимагає коректування. Правильна постановка ТП дозволяє відкинути багато неефективних варіанти рішень. У глибині ТП приховано ФП: до однієї і тієї ж частини об'єкта пред'являються взаємно протилежні вимоги, тобто технічний об'єкт повинен мати властивість і антісвойством.
Процес рішення задачі є процес певної послідовності операцій з виявлення, уточнення і подолання ФП і ТП.
Спрямованість мислення досягається орієнтуванням на ідеальний кінцевий результат - ідеальний технічний об'єкт (спосіб, ідеальний пристрій, машину).
Поняття про ідеальне об'єкті є одне з фундаментальних для всієї методики пошуку технічних рішень. Ідеальний об'єкт - це коли об'єкта немає, а результат, виходить той же, що і за його присутності. Щоб отримати цей результат або наблизиться до нього, в кінцевому рахунку, треба усунути фізичне протиріччя.
Для знаходження та усунення фізичного протиріччя розроблені різні спеціальні алгоритми: фонд задач-аналогів, фонд спеціальних прийомів - операторів [2], фонд фізичних ефектів і явищ, за допомогою якого можна визначати ефекти найбільш підходящі для подолання містяться в задачі протиріч, а також фонд комплексних стандартних прийомів (стандартів) - особливо сильні поєднання прийомів вирішення протиріч.
З урахуванням вищевикладеного та на підставі аналізу даних робіт [1-3], пропонуємо наступний алгоритм розв'язання технічного завдання, як засобу розвитку технічного мислення студентів, поданий у таблиці.
Таблиця
| Найменування етапу розв'язання технічного завдання | Зміст |
| Постановка завдання. | 1.Ознакомленіе з умовами технічної задачі: -Виявлення технічного об'єкта; -Побудова схеми технічного об'єкта (принципу дії). 2.Визначення кінцевої мети рішення задачі: - Визначення змінною характеристики об'єкта (яку характеристику треба змінити); - Визначення незмінної характеристики об'єкта (яку характеристику явно не можна змінювати під час вирішення завдання). |
| Конкретизація умов, побудова моделі задачі. | 1. Визначення фізичного принципу покладеного в основу роботи технічного об'єкта. 2. Виявлення конфліктуючої пари характеристик об'єкта (змінною і незмінною). |
| Аналіз моделі задачі. | 1. Формулювання технічного протиріччя. 2. Формулювання фізичного протиріччя. |
| Знаходження принципового рішення технічної задачі. | 1. Формулювання ідеального кінцевого результату. 2.Устраненіе фізичного протиріччя і знаходження принципового рішення у фізичній формі за допомогою: -Фонду типових моделей задач-аналогів; -Фонду стандартних прийомів усунення фізичних протиріч; -Фонду фізичних ефектів і явищ; 3. Перехід від фізичної форми рішення задачі до технічної (зняття технічного протиріччя): - Формулювання способу роботи об'єкта; - Розробка принципової схеми об'єкта реалізує цей спосіб. |
| Оцінка отриманого рішення технічної задачі | Перевірка ступеня відповідності отриманого рішення ідеального кінцевого результату. У разі недостатньої ступеня відповідності можливо повторення пошуку рішення, починаючи з будь-якого пункту з зміненими (уточненими) пошуковими обмеженнями. |
Методи виявлення, аналізу та розв'язання суперечностей, апарат структурного синтезу, основні поняття логіки пошуку є основоположними базовими елементами розвитку технічного мислення в цілому. Тому навчання студентів цим базовим елементам є основа пропонованої методики.
Розглянемо застосування представленого алгоритму розв'язання технічного завдання на прикладі.
Завдання. Ведучий вал обертається зі швидкістю від 400 до 4000 об / хв. Ведений вал повинен постійно мати 400 об / хв. Як це здійснити? (Рис.1)
а б
в
д р
Малюнок 1. Схема саморегулівної передачі.
Сформулюємо задачу (постановка завдання): завдання на побудову. Потрібні дві підсистеми: одна передає обертання, інша управляє числом оборотів, вірніше - передавальним відношенням. У цьому прикладі змінними характеристиками є число оборотів провідного валу і габарити об'єкта, незмінними - число обертів веденого вала, співвісність валів. Умовна схема об'єкта показана на рис.1а.
Конкретизація умов, побудова моделі задачі:
- Підсистема передачі обертання повинна бути легкокерованою;
- На вході і виході має бути механічна енергія обертання;
- Перетворення числа обертів проводиться за програмою.
Для механічної передачі з урахуванням зазначених умов можна знайти легкокерованою варіант, наприклад, фрикційна (лобова) передача (модель задачі для підсистеми передачі обертання - див рис.1б).
Виявляємо конфліктуючих пару характеристик підсистеми передачі обертання об'єкта аналізуємо модель задачі (формулюємо ТП 1): ведений і ведучий вали повинні бути сосни, а у запропонованій моделі завдання цієї підсистеми вони не соосни (ТП). Формулюємо ФП 1: вали повинні бути сосни і вали не повинні бути соосни.
Знаходження принципового рішення технічної задачі для першої підсистеми.
Формулювання ідеального кінцевого результату для першої підсистеми: вали самі повинні усунути шкідливий властивість - неспіввісність.
Дозвіл ФП 1 ТП 1 першої підсистеми: можна ввести перетворення в просторі - зубчасту передачу, а щоб вона не заважала, змістити одне зубчасте колесо на край, а інше об'єднати з провідним фрикціоном (ріс.1в).
Сформулюємо модель задачі для підсистеми управління передавальним відношенням: використовувати енергопотік вже має необхідну просторово-часову організацію, а саме - ведучий (вхідний) вал. На нього треба навісити відцентровий регулятор і рухати з його допомогою ведений фрикційний диск (рис. 1г).
Виявляємо конфліктуючих пару друге підсистеми, аналізуємо модель задачі (формулюємо ТП 2): відцентровий регулятор - фрикційна передача, тому що програму переміщення веденого фрикційного колеса при зміні оборотів провідного вала важко реалізувати: відцентрова сила пропорційна квадрату числа обертів, а переміщення фрикційного колеса має бути пропорційно першого ступеня. Формулюємо ФП 2: відцентрова сила повинна бути пропорційна квадрату числа оборотів валу і не повинна бути пропорційна квадрату числа обертів. Знаходження принципового рішення технічної задачі для другої підсистеми.
Формулювання ідеального кінцевого результату для другої підсистеми: відцентровий регулятор і фрикційна передача повинні самі усувати шкідливий властивість.
Дозвіл ФП 2 і ТП 2 других підсистеми: в даному випадку можна використовувати Стандарт № 3 - введенням між двома взаємодіючими об'єктами (відцентровий регулятор з провідним валом і ведений вал) третього об'єкта є видозміною одного з них: пружини змінної жорсткості.
На підставі викладеного стає ясним спосіб роботи об'єкту і принципова схема його реалізації (див. ріс.1д).
Наведений вище приклад розв'язання технічного завдання наочно демонструє застосування алгоритму і деяких стандартних рішень. Однак такі задачі доцільно пропонувати студентам вже мають певний досвід застосування алгоритму і стандартів вирішення технічних завдань, тобто в кінці першого і на другому році навчання фізики.
Застосовуваний алгоритм показує шлях розв'язання технічного завдання, але не зменшує трудомісткості її рішення. При виконанні дій по усуненню фізичного протиріччя студентам доводиться самостійно знайомиться з великим обсягом літератури для виявлення фізичних ефектів і явищ, на основі яких можна будувати вирішення завдання. Першокурсникам, які тільки починають вивчати фізику і знаходяться на початку процесу розвитку навичок вирішення технічних завдань, ми пропонуємо на допомогу, розроблену нами комп'ютерну програму
«Фізичний ефект». Названа програма являє собою сукупність клієнтського додатка і бази даних. Клієнтський додаток надає користувальницький інтерфейс для управліннями двома списками: списком фізичних ефектів і списком фізичних параметрів. Програма надає засоби для визначення по заданому набору фізичних параметрів кінцевого безлічі фізичних ефектів, які впливають на значення цих параметрів. Також можна визначити кінцеве безліч фізичних параметрів, що характеризують той чи інший фізичний ефект.
Наведемо приклад розв'язання технічного завдання за допомогою програми «Фізичний ефект».
Завдання. Необхідно визначити момент початку закипання суміші рідин, що знаходиться в не прозорому герметичному реакторі. Пар над сумішшю рідин має постійно змінюється тиск, температуру і концентрацію речовин. Теоретичний розрахунок, як і візуальне спостереження неможливі.
Постановка завдання.
1. Мета: пошук фізичного ефекту, що дозволяє визначити початок закипання суміші рідин.
2. Обмеження: 1. Візуальне спостереження виключено. 2. Безперервна зміна режиму виключає можливість визначення початку закипання за величиною температури, тиску або концентрації речовини.
3. Вивчимо, особливості початку кипіння, скориставшись описом явища в програмі «Фіз. ефект ». Однією з ознак початку закипання рідини є виникнення на гладкій і спокійній поверхні нерівностей і бугрів за Спливання і розриві бульбашок пари над поверхнею рідини в момент початку кипіння. Крім того, виникає характерний шум при нуртування рідини.
4. Змінні параметри: зміна форми поверхні (нуртування),
характерний шум, капілярний тиск, тиск на поверхню, фазовий перехід, тиск насичених парів.
Макет рішення.
Бурління поверхні рідини призводить до необхідності використання стандарту, що рекомендує використовувати поле для визначення стану речовини, наприклад ультразвукове, звукове.
1. Тобто, визначення початку кипіння, можливо, здійснити методом ультразвукової локації поверхні рідини. Рішення хороше, але необхідне джерело і приймач ультразвуку. Що не завжди економічно виправдано.
2. Друге рішення простіше і наближається до ДКР. Коли сама поверхня може сигналізувати про зміну її стану, породжуючи звукове поле. На поверхню рідини поміщають поплавець, до якого прикріплена стійка з дзвіночком. У момент початку кипіння дзвіночок буде видавати звукові сигнали.
3. Третє рішення так само є простим. На поверхню рідини поміщається пластмасова чашка перевернута догори дном, в дні закріплені два електроди так, що до закипання рідини контакти замкнути.На кришці реактора горить сигнальна лампочка. У момент закипання під кришкою збирається пар, контакти розмикаються і сигнальна лампочка гасне.
Рішення задачі дозволяє продемонструвати учням, як особливості того, що відбувається фізичного процесу можуть служити для створення методів його контролю.
Впроваджуючи, в процес навчання фізики майбутніх інженерів методику вирішення технічних завдань ми, досягаємо декількох ефектів: 1) У процесі розв'язання технічного завдання студенти більш глибоко осмислюють фізичні закони, явища і ефекти в даному розділі; 2) усуваючи технічне протиріччя за допомогою вибору того чи іншого фізичного явища, студент здійснює операції аналізу, синтезу, порівняння в застосуванні до конкретного технічного об'єкту, що, по-перше, розвиває
логічний, образний, дієвий і понятійний компоненти мислення, які є визначальними при формуванні технічного мислення, по-друге, студент - майбутній інженер засвоює методи розробки технічних об'єктів, і, по-третє, важливим є те, що студенти засвоюють на практиці тісний зв'язок фізики і техніки. Фізика стає живим, активно діючим у всіх технічних об'єктах предметом, а не сухий, складною і не завжди зрозумілою наукою.