Теория и практика решения технических задач


А.В.Ревенков, Е.В.Резникова











                ТЕОРИЯ И ПРАКТИКА РЕШЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ЗАДАЧ





3-е издание, исправленное и дополненное





Допущено Учебно-методическим объединением вузов по университетскому политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов высших технических учебных заведений

Москва

2019

УДК 658.512.2(075.8)
ББК 32.81
      Р32








                                Рецензенты:
      А. А. Дорофеев — кандидат технических наук, доктор педагогических наук, профессор, декан факультета «Ракетно-космическая техника» МГТУ им. Н. Э. Баумана;
      3. С. Сазонова — кандидат физико-математических наук, заместитель заведующего кафедрой «Инженерная педагогика» Московского автомобильно-дорожного института (Государственного технического университета);
      А. А. Моишеев — заместитель генерального конструктора — Главный конструктор ОКБ ФГУП «НПО им. С. А. Лавочкина»












      Ревенков А. В.
Р32 Теория и практика решения технических задач : учеб. пособие / А. В. Ревенков, Е. В. Резчикова. — 3-е изд., испр. и доп. — М. : ФОРУМ : ИНФРА-М, 2019. — 384 с. — (Высшее образование).

        ISBN 978-5-91134-750-5 (ФОРУМ)
        ISBN 978-5-16-006487-1 (ИНФРА-М)

         Изложены общие приемы, модели и методы решения задач, которые могут применяться в различных предметных областях. Дано описание сущности методов, используемые модели, рекомендации по их применению и примеры решения задач из различных областей техники. В книге нашли отражение наиболее важные наработки современной теории решения изобретательских задач (ТРИЗ). В большинстве случаев приводится аргументация эвристичности предлагаемых приемов и методов.
         Особое внимание уделено способам активизации мышления при генерировании идей, анализу проблем и особенностям постановки задач, а также приемам решения задач, основанным на системном подходе, принципах строения и функционирования и закономерностях развития технических систем.
         Для студентов инженерных специальностей машиностроительного и приборостроительного профиля. Книга также может быть полезна инженерам различных отраслей промышленности.

                                                                 УДК 658.512.2(075.8)
                                                                 ББК 32.81



ISBN 978-5-91134-750-5 (ФОРУМ) ©Ревенков А. В., Резчикова Е. В., 2008, 2009, 2013
ISBN 978-5-16-006487-1 (ИНФРА-М) ©Издательство «ФОРУМ», 2008, 2009, 2013

            Список основных сокращений






ВПИ — вектор психологической инерции ГПФ — главная полезная функция ЗРТС — законы развития технических систем ИД — исходные данные ИКР — идеальный конечный результат ИТР — идеальное техническое решение КТР — конструкторско-технологическое решение КФС — конструктивная функциональная схема ММЧ — моделирование маленькими человечками ММЯ — метод морфологического ящика МОК — метод отрицания и конструирования МПиО — метод проб и ошибок МТ — морфологическая таблица МЯ — морфологический ящик НС — надсистема НЭ — нежелательный эффект ОП — операционное противоречие ОУ      —  орган управления
ОФ      —  основная функция
ПКД     —  проблема как она дана
ПКП — проблема как ее понимают ПП      —  предметное противоречие
ПС      —  проблемная ситуация
ПФС — потоковая функциональная схема ПЭ      —  преобразователь энергии
РВС     —  оператор «размер — время — стоимость»
РО      —  рабочий орган
РЭС     —  радиоэлектронная система

Список основных сокращений

стп --- социально-техническое противоречие 
тдв --- твердые дисперсные вещества        
тки --- технологичность конструкции изделия
то  --- технический объект                 
ТР     - техническое решение                  
тр     - трансмиссия                          
ТРИЗ - - теория решения изобретательских задач
тс     - техническая система                  
ТФ     - техническая функция                  
УЭ     - упругий элемент                      
ФО     физическая операция                    
Фпд -  - физический принцип действия          
ФтЭ    - физико-технический эффект            
NC     - нормативная система                  

            Предисловие








   В современном мире ведущие позиции занимают те государства, в которых целенаправленно стимулируется развитие инновационного потенциала на базе самых современных научно-технических достижений. Однако невозможно создавать инновационные технологии без построения индустрии генерации новых идей.
   Решение этих задач обеспечивает принципиально новый подход к инженерной деятельности, расширяет влияние новейших достижений на экономику и создает условия для принятия стратегических концептуальных решений в области техники.
   Владение методами поиска новых технических решений дает возможность наметить стратегические цели развития отраслей техники, так как эти методы обладают предсказательной силой и позволяют прогнозировать тенденции научно-технического прогресса.
   Отсутствие учебных пособий, в которых достаточно полно излагались бы методологические аспекты поиска решений, существенно сдерживает широкое внедрение последних достижений в этой области в учебные планы вузов.
   Предлагаемое учебное пособие является результатом опыта многолетнего преподавания авторами изложенных материалов в Московском авиационном институте (Национальный исследовательский университет) «МАИ», МГТУ им. Н. Э. Баумана, в Московском государственном агроинженерном университете им. В. П. Горячкина и в Московском государственном университете управления.
   В книге обобщены исследования многих авторов по приемам и методам решения задач. В первую очередь следует отметить работы Г. С. Альтшуллера, А. Б. Селюцкого, Б. Л. Злотина, А. И. Половинкина по приемам и методам поиска решений технических задач, Д. Пойа по приемам решения задач по математике и других авторов.
   Г. С. Альтшуллер в своих работах вскрыл фундаментальный пласт новых идей под общим названием «Теория решения изобретательских задач» (ТРИЗ). Однако следует заметить, что наука эта молодая, многие затронутые в ней проблемы только очерчены и еще не полностью проработаны. Поэтому данная область знаний нуждается в дальнейшем исследовании и развитии, что отмечал и сам автор ТРИЗ.
   В учебном пособии представлены как рациональные, логические методы поиска, так и методы, основанные на образном мышлении, интуиции, на механизмах подсознания.

Предисловие

   Книга построена по следующим принципам: от общих теоретических положений к частным; от изучения простых приемов к сложным. Авторы также старались придерживаться принципа востребованности изложенного материала в последующих главах.
   Учебное пособие состоит из двух разделов.
   В первом разделе, который состоит из четырех глав, рассматриваются общие приемы поиска решений, которые могут с успехом применяться для решения задач в самых различных областях.
   В 1-й главе изложены некоторые причины, препятствующие решению поставленной задачи.
   Во 2-й и 3-ей главах приводятся приемы, активизирующие преимущественно левополушарное мышление при решении задачи. Особое положение занимает 3-я глава, в которой излагается сущность системного подхода и показаны приемы решения задач, основанные на изменении системных свойств объектов, описанных в условии задачи. На примерах демонстрируется использование этих приемов для решения учебных задач по математике и физике.
   4-я глава посвящена применению операторов синектики, которые позволяют активизировать правополушарное, образное мышление при поиске решения, что не только способствует получению сильных решений, но и развивает творческое, креативное мышление.
   Второй раздел посвящен приемам, моделям и методам, применяемым для решения технических задач.
   В 5-й главе приводятся основополагающие положения системного анализа технических объектов и применяемые модели, на которых базируется весь последующий материал учебного пособия.
   6-я глава вводит читателя в область вещественно-полевого анализа, предлагает целый набор понятий, опора на которые позволяет организовать целенаправленный поиск решения технической задачи. Здесь же даются некоторые методические рекомендации по поиску физико-технических эффектов и синтезу физического принципа действия создаваемого технического объекта, а также использованию ресурсов пространства и времени.
   7-я глава знакомит читателя с наиболее общими принципами строения, функционирования и закономерностями развития технических систем, знание которых дает хорошие ориентиры в выборе направлений совершенствования технических объектов. Большое количество иллюстрирующих примеров из различных областей техники расширяет кругозор читателя.
   В 8-й главе разобраны виды противоречий, которые встречаются при решении технических задач, предложены приемы их разрешения, на примерах показана методика применения этих приемов при решении технических задач.
   9-я глава посвящена функциональному анализу технических объектов — одному из важнейших и обязательных этапов создания и совер

Предисловие

7

шенствования технических объектов, от которого во многом зависят четкость формулировки поставленной задачи и пути ее решения.
   10-я глава посвящена морфологическому исследованию технических систем — методу, позволяющему наметить спектр направлений решения задачи и получить в компактном, обозримом виде «поле» возможных вариантов создаваемого технического объекта.
   В 11-й главе рассматриваются особенности решения задач синтеза и исследовательских задач, даются общие методические рекомендации по анализу проблемы и постановке задачи. Рассмотрена также задача поиска нежелательных эффектов в конструкциях и технологиях. Даны рекомендации по возможным подходам к решению технических задач и описание некоторых программных продуктов, предназначенных для поддержки интеллектуальной инженерной деятельности.
   В приложении приводятся некоторые положения из логики, необходимые для более глубокого понимания рассмотренных приемов и методов решения задач, справочные материалы к некоторым главам, пояснения по терминологии, принятой в учебном пособии, дополнительные примеры. Здесь также даются рекомендации по организации учебного процесса, примерный перечень заданий для самостоятельной работы, содержание курсовой работы (проекта), список основной и дополнительной литературы.
   В книге использованы материалы по логическим основам мышления, психологии творчества, приемам и методам решения задач.
   Владение методом важнее знаний, которые можно найти в справочной литературе. Поэтому авторы надеются, что учебная дисциплина, направленная на методологическую подготовку студентов, со временем займет соответствующее место в государственных образовательных стандартах высшего профессионального образования для машиностроительных и приборостроительных специальностей.
   Авторы выражают глубокую признательность мастеру ТРИЗ к. т. н., доц. А. И. Гасанову, руководителю центра практического изобретательства мастеру ТРИЗ А. В. Кудрявцеву за критические замечания и полезные рекомендации, которые были учтены при подготовке рукописи, а также канд. техн. наук, д-ру пед. наук, профессору А. А. Дорофееву за ценные предложения по содержанию рукописи.
   Авторы надеются, что эта книга поможет читателям полнее раскрыть свои интеллектуальные возможности и реализовать на практике свои самые дерзкие творческие планы.

            Введение









   Одна из главных целей высшей школы — научить будущих специалистов ставить и решать задачи в определенной предметной области. Для этого студенты должны не только изучить профессиональную предметную область, но и овладеть приемами и методами анализа проблемы, постановки и решения задач. Все это определяет профессиональный потенциал специалиста и его творческие возможности, позволяющие изобретательно подходить к разрешению различных проблем.
   Решение задачи — сложный и многогранный мыслительный процесс, в котором важными составляющими являются, во-первых, понимание задачи и, во-вторых, психологическая готовность к решению. Последнее достигается уверенностью в своих силах, которая основана на осознанном владении приемами и методами решения задач.
   Любая наука представляет собой систему знаний, фиксированных посредством различных знаковых комбинаций. Для этого материальные объекты преобразуются в некоторые абстрактные сущности, для обозначения которых используются абстрактные понятия, например: структурная схема, система уравнений, электромагнитное поле, обратная связь и т. д.
   Эти абстрактные понятия используются человеком как категории мышления, с помощью которых в сознании людей формируются различные модели. Поэтому в учебном пособии объектом изучения являются технические системы, а предметом — свойства моделей, которые могут использоваться при решении задач, и некоторые механизмы и свойства человеческого мышления, проявляющиеся в процессе поиска решения. Для освоения наиболее общих приемов решения задач в технической области необходимо опираться как на закономерности и принципы строения технических систем и существующие принципы их проектирования, так и на современные достижения наук, изучающих человеческое мышление.
   Известный математик Д. Пойа отмечал: «Едва ли автор учебника дифференциального и интегрального исчисления или преподаватель колледжа смогут оправдать свое назначение, если будут близко следовать системе поваренной книги. Если обучать приемам работы без доказательств, то такие немотивированные приемы поняты не будут. Правила без их обоснований лишаются взаимной связи и быстро забываются» [87].

Введение

9

   Поэтому в предлагаемой книге приводится не только описание моделей, приемов и методов поиска решений, но и сделана попытка дать им некоторое логическое, психологическое или онтологическое обоснование с позиций современных наук, изучающих как общие принципы и закономерности построения технических объектов, так и мыслительные процессы творческого поиска.
   Теоретическое основание приема — это более высокая ступень абстракции, нежели сам прием, поэтому именно оно помогает «сработать» аналогии, т. е. увидеть то общее, что объединяет задачи (по методу решения) в различных предметных областях, позволяет быстро выйти на прием, метод решения, которые приведут к успеху.
   Немецкий педагог XIX в. Адольф Дистиверг сказал: «Развитие и образование ни одному человеку не могут быть даны или сообщены. Всякий, кто желает к ним приобщиться, должен достигнуть этого собственной деятельностью, собственными силами, собственным напряжением. Извне он может получить только возбуждение... Поэтому самодеятельность — средство и одновременно результат образования».
   Приведенные в работе приемы и методы поиска решений следует рассматривать прежде всего как интеллектуальный ресурс, повышающий креативный потенциал специалиста, позволяющий ему получать инженерные решения высокого творческого уровня с минимальными издержками.
   Для того чтобы научиться решать задачи, весьма важно не только постоянно практиковаться в этом (как говорят, «набить руку»), но и пополнять свои знания по методам поиска решений. При этом у человека вырабатывается уверенность в своих силах, формируется убеждение, что любую задачу так или иначе можно решить, т. е. психологическая готовность к решению задач.
   Попытки сознательного применения этих приемов, стремление увидеть их в методах решения задач той или иной предметной области будут способствовать тому (и авторы надеются на это), что эти приемы войдут в арсенал умений вдумчивого читателя.

Раздел 1
ОБЩИЕ ПРИЕМЫ ПОИСКА РЕШЕНИЙ






            1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ







   Часто при решении задачи используют традиционный метод проб и ошибок (МПиО). Существенным недостатком этого метода (рис. 1.1) является, во-первых, то, что каждая неудачная попытка мало приближает к цели, ибо, обнаруживая бесперспективность выбранного направления, она часто не позволяет определить, каким же способом и в каком направлении нужно искать решение.
   Во-вторых, получив приемлемый результат, нельзя быть уверенным, что это наилучший из всех возможных.
   В-третьих, решить задачу с ходу и при этом получить сильное решение часто мешает «вектор психологической инерции» (ВПИ).
   Психологическая инерция — упорное стремление человека решать задачу традиционным хорошо известным ему способом, искать решение в заранее выбранном направлении. Весьма часто оказывается, что для конкретного случая это направление выбрано неудачно.
   В 60-х гг. XX в. феномен психологической инерции исследовался известным советским ученым Д. И. Узнадзе, который дал ему теоретическое обоснование. Суть разработанной им теории заключается в том, что всеми действиями человека руководит не только сознание, но и некоторые подсознательные установки, выработанные в процессе предыдущего опыта. Эти установки не осознаются человеком, но оказывают существенное влияние на способ поиска и принятия решений в любой момент времени.
   Конструктор, встретившись с технической задачей, в поиске путей ее решения сначала опирается на свой опыт, на имеющиеся у него бессознательные установки, выработанные как в процессе обучения, так и практической деятельности. В стандартных ситуациях сложившиеся установки очень полезны, так как значительно экономят ресурсы при решении задачи, позволяя не раздумывать над каждым элементарным действием, выбором каждой шайбы, винтика или проводника и весьма