Методология научных исследований

Не исключено и такое положение, когда проблема объективно существует, но об этом неизвестно ученым. Например, до открытия болезнетворных бактерий объективно существовала проблема борьбы с инфекционными заболеваниями. Однако, она не была известна и не могла быть известна медикам.

Альберт Энштейн говорил: "Наука должна начинаться с фактов и заканчиваться ими, вне зависимости от того, какие теоретические структуры строятся между началом и концом".

Всякое неизвестное начинается с известного и в процессе исследования неизвестное переходит свою противоположность. В этом суть процесса познания.

Изучая те или иные объекты, в результате взаимодействия с ними мы, прежде всего, собираем информацию, анализ и синтез которой дает нам необходимое знание. Вместе с тем в каждом вопросе или проблеме существует всегда противоречивое отношение двух видов знаний - знание сущности и знание о незнании.

В знании сущности, обычно, ищут ответ на два вопроса:

- что общего у исследуемого объекта с другими, уже известными исследователю объектами?

- чем отличается исследуемый объект от других, уже изученных объектов?

Соотношение этих двух частей знания сущности исследуемого объекта характеризует собой степень проблемности исследования. Математически это понятие может быть представлено следующим соотношением:

К = х/(х + а)

где К - так называемый, коэффициент проблемности;

х - неизвестное об объекте;

а - известное об объекте.

Если К=0, то следует понимать, что проблема отсутствует, а решение поставленной задачи может осуществляться инженерными методами, т.е. в этом случае используется найденная ранее теория.

Если О < К < 1 - это показывает на существование проблемы.

Вряд ли возможна крайность, чтобы К = 1, т.к. трудно представить себе объект, о котором ничего не было бы известно. (Это противоречит сказанному выше о том, что проблема начинается с практики). Поэтому, крайне важно на первом этапе исследования выделить и систематизировать все известное и неизвестное об изучаемом объекте.

Проблемы в буквальном смысле окружают нас. Одни из них лежат, как говорят, на поверхности, а другие не видимы, их надо искать. Проблемы, как правило, не разделены удобным образом - на технические, экономические, экологические, социальные. Б реальной жизни все переплетено и представляет некоторую "мешанину". В ней надо разобраться и суметь выделить проблему в соответствии с профилем собственной подготовки.

Постановка проблемы предполагает организацию исследования, конечной целью которого явилась бы разработка новой закономерности, необходимой для построения инженерных методик решения производственных задач. Способность постановки проблемы является самой яркой характеристикой творческого мышления.

Но наличие проблемы не является достаточным основанием для постановки научных исследований, т.к. не каждая проблема является истинной. Можно выделить следующие критерии для оценки истинности проблемы:

- невозможность дальнейшего развития практики без решения данной проблемы;

- невозможность получения практикой результатов поставленной проблемы;

-получение после решения проблемы результатов, имеющих большую практическую значимость. Таким образом, главным и основным критерием ценности проблемы является практика.

Практика определяет цель научного исследования, а выбор цели в значительной степени зависит от отношения к проблеме.

К сожалению, в реальной жизни отношение к проблеме неоднозначное. Ее могут признать, согласиться с ее существованием и оставить проблему в покое, что чаще всего делается, или ликвидировать источник возникновения проблемы. В другом случае проблему решают частично или коренным образом.

Возьмем, к примеру, проблему качества выпускаемых легкой промышленностью изделий. Эта проблема и техническая, и экономическая, и социальная. Раньше от этой проблемы отмахивались (оставив ее в покое), затем частичным решением этой проблемы избрали государственную приемку. Но можно ли решить проблему "отлавливая" качество на выходе? По существу это разбраковка, к тому же достаточно часто без использования объективных методов контроля. В то же время хорошо известно, что качество начинается на этапе создания нового изделия, надежность которого гарантируется при поиске схемных и конструкторских решений в период проектирования, отработки, изготовления экспериментальных образцов, доводки опытной партии изделий и отладки технологии. И чем успешнее идет реализации ошибочно выбранной цели, тем больше будет материальный урон, нанесенный практике.

Изучение проблемы приводит к ее развертыванию, т.е. возникновению и формированию дополнительных вопросов. Их решение в итоге дает ответ на центральный вопрос проблемы.

В вопросах проявляются различные аспекты проблемы, которые можно представлять как более мелкие научные задачи, относящиеся к конкретной области научного исследования. При этом они могут в некоторых случаях рассматриваться как отдельные темы исследований, а иногда и как самостоятельные проблемы.

Для примера рассмотрим вопросы, входящие в проблему диагностирования агрегатов легкой промышленности. Эта проблема появилась из более крупной научно-технической проблемы эксплуатационной надежности машин, о которой говорилось выше. Одним из аспектов этой фундаментальной проблемы является подпроблема технического обслуживания оборудования, в состав которой входит вопрос о контроле технического состояния машин и агрегатов.

Почему вопрос о контроле технического состояния перерос в целую проблему диагностирования? Потому, что возникло противоречие между потребностью быстрого, точного и, главное, не требующего разборки агрегата или его частей определения технического состояния и объема необходимого восстановительного ремонта или регулировки и наличием методов и средств контроля.

В условиях быстрого роста парка оборудования предприятий легкой промышленности и резкого увеличения его ремонтосложности выяснение причин неисправности путем полной или частичной разборки агрегата или его узлов дорого, малопроизводительно, требует высокой квалификации обслуживающего персонала, а, в отдельных случаях, и не возможно.

Следовательно, требуется разработка методов и средств безразборной диагностики по косвенным симптомам, что рождает ряд вопросов. Так обнаруживается наше незнание, как этих симптомов, так и характерных особенностей работы агрегатов и их узлов при ухудшенном техническом состоянии. Возникает ряд аспектов проблемы диагностирования и не только технического, но организационного и экономического характера, например, минимизации операций и приборного оснащения диагностирования, место диагностики в системе плановопредупредительного ремонта оборудования и др.

Из приведенного примера видно, как одна проблема перерастает в другую и как эти проблемы "обрастают" новыми вопросами, как множатся аспекты основной проблемы, в чем в значительной мере и заключается ее развертывание.

И, конечно, чтобы исследователю "не изобретать велосипед" и точно знать, что уже сделано и на каком уровне, следует осуществить информационный поиск по теме исследования.

Лекция 5

Информационный поиск

Цель поиска - всесторонний анализ информации по теме исследования, освещение состояния вопроса, уточнение при необходимости темы, обоснование цели и задач научного исследования.

Поиск включает два этапа: отыскание необходимой информации и проработку источников.

Поиск источника информации целесообразно начинать с монографий. (Монография - это научный труд, углубленно разрабатывающий одну тему или узкий круг вопросов). Этим достигаются две цели: во-первых, ознакомление с современной точной зрения на исследуемую проблему, подходом к ней и методикой исследований и, во-вторых, знакомство с основной литературой, т.к. в монографиях, как правило, имеется достаточно полный библиографический указатель.

Дальнейшая последовательность подбора литературных источников может быть следующей:

- ознакомление с литературой, указанной в библиографии;

- просмотр реферативных журналов по соответствующему разделу науки и техники и информационных изданий (экспресс-информация, обзорная информация, информлистки, сборники НИИ информации т.п.);

- изучение специализированных журналов ("Известия вузов. Технология легкой промышленности", "Кожевенно-обувная промышленность", "Швейная промышленность" и др.);

- изучение трудов институтов, тезисов докладов конференций, авторефератов диссертаций.

Вся найденная информация должна быть занесена на карточки или в специальную тетрадь. При этом важно сразу правильно записывать библиографическое описание источника.

Этап проработки источников информации состоит из двух под-этапов: ознакомления и чтения.

Ознакомление осуществляется путем просмотра всего материала и фиксации общего содержания работы с акцентированием внимания на разделах имеющих отношение к исследованию.

Чтение - это более детальное знакомство с теми разделами, в которых содержится интересующий материал с фиксацией общего содержания и изучение той части, которая имеет непосредственное отношение к предмету исследования.

Несколько слов то том, как запомнить прочитанный текст.

Американский специалист по менеджменту Гарри Лорейн в своей книге "Как развивать сверхсильную память" дает такие советы:

Сначала прочтите статью, раздел книги, брошюру и т.п., затем подберите ключевые слова для каждой идеи и объедините их в связку. Связь образуется, если сознательно создавать цель ассоциацией прямо во время чтения. Такие ассоциации основываются на мысленных образах и картинах, причем успех будет во многом зависеть от того, удастся ли Вам сделать эти образы и картины забавными. Например, несколько ключевых слов, которые необходимо объединить в связку: гвоздь, пишущая машинка, ботинок, микрофон, ручка, телевизор, тарелка. Конструируем следующие образы:

- гвоздь и пишущая машинка. Вы пробиваете пишущую машинку громадным гвоздем или все клавиши вашей машинки - гвозди;

- пишущая машинка и ботинок - пусть вы надели на ноги пишущие машинки или печатаете не руками, а ботинками;

- ботинки и микрофон. Вы эстрадный певец и таскаете по сцене за собой рваный ботинок вместо микрофона;

- микрофон и ручка. Вы пишете микрофоном;

- ручка и телевизор.

Ручки исполняют танец на огромном телевизионном экране или же вам преподносят гигантскую ручку, в которую вмонтирован телевизор;

- телевизор и тарелка. Вы смотрите телепрограмму на экране в форме тарелки или же вам подают еду на плоском телевизоре.

Если Вам удалось достаточно ясно увидеть эти картины мысленным взором, Вам не составит труда запомнить весь перечень ключевых слов, а по ним и подмеченные идеи.

Прорабатывая научно-техническую информацию, обычно делают выписки, аннотации и конспекты.

Выписка - краткое (или полное) содержание разделов, глав, страниц источника информации. Они могут заменить конспектирование текста и позволяют в малом объеме накопить большую информацию.

Аннотация - это краткая характеристика печатного издания (или его частей) с точки зрения содержания, назначения, формы и других особенностей. С помощью аннотации можно быстро восстановить в памяти текст.

Конспект - это подробное изложение содержания информации. Главное при составлении конспекта - выделить рациональное зерно применительно к разрабатываемой теме. При этом целесообразно текст конспекта составлять своими словами, что способствует краткости изложения, требует осмысливания, анализа прочитанного, позволяет выделить главное в представленной информации.

Полученный таким образом материал критически анализируется. Может быть принят следующий план анализа:

- определение достигнутого уровня знаний в исследуемом направлении;

- выяснение оригинальных идей и интересных мнений в этой области;

- выявление недостатков предыдущих исследований;

- установка возможных путей дальнейших исследований.

На основании результатов проработки информации делают выводы, в которых подводят итог критического анализа. В выводах должны быть освещены следующие вопросы: актуальность и новизна темы; последние достижения в области теоретических и экспериментальных исследований по теме; важнейшие и наиболее актуальные теоретические и экспериментальные задачи, а также производственные рекомендации, подлежащие разработке в данный момент; техническая целесообразность и экономическая эффективность этих разработок.

На основе указанных выводов уточняют или формируют цель и конкретные задачи научного исследования.

При проведении информационного поиска и затем при составлении отчета по НИР составляется перечень литературных, патентных и иных источников, который помещают в раздел Отчета под названием "Перечень использованных источников". Смотрите примеры оформления библиографических записей, помещаемых в этот Перечень.

Следующий этап научного исследования после изучения и анализа литературных к других источников - разработка рабочей гипотезы.

Лекция 6

Гипотеза, как предполагаемая зависимость явления от действующих факторов и его физической сути

В переводе с греческого слово "гипотеза" означает основание, предположение. В современном понимании гипотеза - это научно-обоснованное предположение либо о факте, находящемся за пределами непосредственного наблюдения, либо о закономерной связи, закономерном порядке явлений.

Примером гипотезы о факте могут служить гипотезы о происхождении Тунгусского метеорита. Так, факт грандиозного взрыва, происшедшего в 1908 году в бассейне реки Подкаменная Тунгуска в Восточной Сибири и опустошившего тайгу на площади около 200 км2 объясняют по-разному. Выдвигались гипотезы, что Тунгусский метеорит представляет собой: ядро небольшой кометы, взорвавшееся при вторжении в плотные слои атмосферы; "черную дыру" - космический объект, сконцентрировавший в малом объеме чудовищно большие гравитационные силы и, как бы, "проткнувший" нашу планету; потерпевший аварию звездолет пришельцев или летающая тарелка и др. Разгадка этого факта продолжается, поэтому выдвинутые гипотезы можно назвать рабочими, т.к. в них выражено предполагаемое объяснение закономерности явления на определенном этапе исследования.

Примером гипотез о закономерном порядке могут быть гипотезы о микро- и макромире. Выдвинутая в начале XX века научная гипотеза о бесконечности материи, нашла подтверждение в открытии элементарных и субэлементарных частиц, что позволило судить об единстве в строении материи, т.к. в основе этого единства лежит материальность всех элементарных частиц.

Отличие гипотезы от множества возможных объяснений явления заключается в том, что гипотеза является наиболее вероятным из них. Вместе с тем можно привести множество примеров, когда сама гипотеза кажется невероятной. Такую неожиданную, парадоксальную гипотезу выдвигает сегодня советский физик-теоретик академик Моисей Марков. Он считает, что вся наша Вселенная с недосягаемыми галактиками, с миллиардами звезд и планет, с ее холодом непостижимой для человека бесконечности - все это, возможно, лишь крохотная частица макромира размерами меньше атома водорода.

Необходимость возникновения гипотезы обусловлена, как писал Ф.Энгельс, самим прогрессом науки - открытием новых данных, которые исключают прежние объяснения ранее известных фактов, относящихся к тому же самому кругу явлений.

Как было сказано, не все объяснения являются гипотезами. Случайные и не самые вероятные из объяснений называются догадками. Догадки не имеют никаких преимуществ перед какими-либо другими объяснениями. Они столь те вероятны, т.к. ничем не подтверждаются. Вместе с тем, если объяснение фактов, явлений или закономерностей вовсе необоснованны и невероятны, то это домыслы.

С догадками можно мириться при том условии, что они не могут быть основой для логических предположений в изучении явлений, а должны указывать лишь на пути новых, более достоверных поисков. Вместе с тем, домыслы совершенно недопустимы в научном процессе как отвлекающие внимание от решения поставленной задачи и уводящие исследование в сторону, на неправильные пути, в ошибочном направлении.

Гипотезы совершенно необходимы в научном исследовании, т.к. без гипотез невозможно предвидеть события или создавать новые теории. Всякая гипотеза должна опираться на сумму реальных и логических доказательств, включать в себя критику всех возможных догадок и перечень фактов, которые она объясняет. Чем больше гипотеза подтверждается фактами логических построений, тем она достовернее. Подтверждением этого может быть следующий пример.

В начале нашего века ученые считали, что месторождения нефти на земном шаре образовались там, где сотни миллионов лет на зад происходили грандиозные геологические катастрофы и внезапно гибло все живое. Подтверждение этой гипотезы видели в большом сходстве химического состава живых организмов и ископаемой нефти. Однако поискам новых нефтяных месторождений эта гипотеза помочь не могла - никто не мог угадать, где именно такие катастрофы случались.

Другую гипотезу предложил тогда ученый-геолог И.М.Губкин. Залежи нефти, по его убеждению, образовались там, где непрерывно, многие миллионы лет кряду', продолжался процесс гибели простейших растительных и животных организмов. Вероятно, этот процесс длиться и а наше время. Происходит это в густонасыщенных растительными и животными организмами областях морей и океанов. Опускаясь на дно и погружаясь в ил, их останки разлагаются без доступа кислорода и под воздействием особых бактерий постепенно превращаются в нефть. Искать новые месторождения нефти следует там, где проходили береговые линии древних морей и океанов.

Гипотеза ученого подтвердилась. С ее помощью были найдены нефтяные залежи сначала между Уральскими горами и Волгой, а затем и в Сибири. А исследование данных отложений Каспийского моря с помощью современного радиоуглеродного метода показали, что вещества, из которых может образоваться нефть, накапливаются и а наши дни.

Гипотеза представляет собой результат борьбы двух противоречивых начал, двух противоположных особенностей человеческого мышления: инерции и интуиции.

Инерция мышления стремится сохранить существующие представления о внешнем мире, существующие теории, приспособить их для решения возникающих новых задач. Она является залогом разрушения научных спекуляций, барьером против проникновения ложных представлений в мировоззрение и обеспечение добросовестности исследований. Но инерционность мышления не может явиться основой для необъективности в оценке нового.

Интуиция - ощущение нового в явлении без достаточных для того строгих логических построений и оснований, достаточного количества наблюдений и фактов.

Примером открытий, построенных на интуиции служат умозаключения полученные две тысячи пятьсот лет тому назад Пифагором и его учениками. Пифагор верил: чтобы познать суть, меру и связь явления надо пробудить в себе интуицию - волшебное и необъяснимое свойство, которое помогает человеку проникнуть мысленно взором в загадочный механизм, управляющий Вселенной. В то время, когда все считали Землю плоской, и это мнение казалось незыблемо покоящимся на личном опыте каждого, пифагорийцы, исходя из мысли, что все в природе должно быть совершенно, придали Земле Б своем воображении наиболее совершенную геометрическую форму - шарообразную. Нe располагая надежными опытными данными, не опираясь ни на какие достижения теории - это были младенческие времена человечества, - они пытались лишь силой интуиции построить то, что сегодня можно назвать математической моделью Вселенной.

В то же время безоговорочное доверие своей логической интуиции может повредить достижению истины. Простой пример рассуждения: "Если бы Земля вращалась, реки, текущие по меридиану, подмывали бы один из своих берегов; не эти реки не подмывают свои берега, значит, она не вращается". Такая схема интуитивных рассуждений приводит к абсурду.

В процессе исследования не исключено появление невероятных гипотез, что нельзя считать недопустимым или вредным явлениям. В конечном счете, они являются показателем творческого процесса, большой степени проблемности решаемых задач и указателем путей, по которым в дальнейшем не следует идти.

К.А.Тимирязев говорил: "Неверная (ошибочная) гипотеза полезна, т.к. сужает круг возможных решений задачи".

Гипотеза по своему содержанию должна соответствовать ряду требований:

- она не должна противоречить общепризнанным понятиям;

- в гипотезе должны быть учтены ранее существовавшие закономерности, но она не должна им следовать, т.к. в противном случае гипотеза будет безосновательна и не даст ничего нового;

- гипотеза должна объяснять все факты, для которых она построена;

- она должна быть принципиально проверяемой на практике, в опыте или эксперименте;

- из нескольких конкурирующих равноценных гипотез следует выбирать более простую;- формулировка гипотезы должна быть непротиворечива по своей сути.

Четко и достаточно полно разработанная гипотеза существенно облегчает дальнейшую работу, т.к. позволяет заложить в методики теоретических и экспериментальных исследований вполне конкретные параметры, характеризующие изучаемое явление или объект, которые надлежит измерить. Кроме того, правильно осуществленная аналитическая разработка гипотезы, т.е. ее математическое выражение, поможет более полно и правильно наметить основные черты и детали последующего эксперимента. Однако появлению гипотезы всегда предшествует выработка идей решения научно-технической задачи

Лекция 7

Современные методы генерирования идей при решении научно-технических задач

Выработка идей при решении изобретательских задач - один из древнейших видов человеческой деятельности. Поразительно, что основной метод генерирования идей сохранил свою суть до наших дней - это метод проб и ошибок. Суть его заключается в последовательном выдвижении и рассмотрении всевозможных идей решения задачи.

Такая традиционная технология изобретательства отличается низкой эффективностью. Пришедшая научно-техническая революция вызвала необходимость в его интенсификации и выработке методов активизации перебора вариантов. Классификация используемых методов генерирования идей показана на рис.



Морфологическое описание объекта дает представление о его строении и позволяет охватить все мыслимые варианты решения задачи.

В основу расчленения (декомпозиции) проблемы при ее морфологическом описании (анализе структуры объекта) могут быть положены три подхода: объективный, функциональный и смешанный.

При объективном подходе осуществляется выделение из проблемы подпроблем, каждая из которых может рассматриваться как самостоятельная проблема соответствующего уровня иерархии. При этом каждая подпроблема может быть описана информационно и функционально.

Объективный подход к декомпозиции проблемы рекомендуется в тех случаях, когда задача имеет количественно сложную структуру при небольшой сложности и разнообразии составляющих ее подзадач. В этом случае выделяют группы сходных по свойствам подзадач и анализируют наиболее типичную подзадачу каждой группы, благодаря чему существенно снижается размерность описания проблемы.

Функциональный подход, в основе которого положен функциональный признак, рекомендуется применять в том случае, когда число подзадач невелико, но их функциональное описание является весьма сложным. В этом случае выделяется группа сходных функций и рассматривается возможность их реализации независимо от принадлежности к тем или иным подзадачам.

Выбор подхода к анализу проблемы зависит от множества факторов, таких, как цель исследования, природа проблемы, ее масштабность и др. Поэтому иногда бывает трудно принять однозначное решение о принципе формирования структуры. В таких случаях используют смешанный объектно-функциональный принцип расчленения проблемы.

От выбора того или иного принципа структурирования зависит достоверность результатов научного исследования.

Пример. В легкой промышленности имеется проблема упаковки изделий. Схематично методику морфологического анализа проблемы применительно к какому-либо виду изделий можно представить следующим образом. Если по одной оси записать, скажем, 20 видов материалов (металл, дерево, картон, пластик и т.д.), а на другой - 20 видов форм (сплошная жесткая, сплошная гибкая, решетчатая упаковка, сетчатая и т.д.), получится таблица, включающая 400 сочетаний, каждое из которых соответствует одному варианту. Можно ввести и другие оси, неограниченно наращивая число полученных вариантов. Общее количество полученных вариантов получают путем перемножения всех возможных альтернатив:

V = Пmi=1 Pi

где V - количество возможных вариантов, Пm - количество различных аспектов или признаков деления,

Pi - количество элементов i-го типа.

Затем осуществляется упорядочение вариантов, решается задача выбора критериев и их оценка, с помощью которых выбирается подмножество оптимальных решений из множества вариантов. На заключительном этапе осуществляется выбор окончательного варианта решения.

К положительным сторонам метода морфологического анализа относится возможность учета максимального числа путей решения поставленной задачи, а к недостаткам - отсутствие в настоящее время алгоритмов варианта.

Мозговой штурм (мозговая атака) - психологический метод. Его автор Алекс Осборн родился в конце XIX века В Нью-Йорке. Впервые этот метод он применил при выдумке новых изделий и поиске новых идей для рекламы.

В основе метода лежит мысль об отделении процесса генерирования идей от процесса их оценки. Осборн предложил вести генерирование идей в условиях, когда критика запрещена; наоборот, всячески поощряется каждая идея, даже шуточная или явно нелепая. Дня этого отбирают небольшую, по возможности разнородную группу (6-8 человек) "генераторов идей". Высказанные идеи записывают и передают группе экспертов для оценки или отбора перспективных. Таков смысл обычной мозговой атаки.

Философская концепция мозгового штурма основана на теории Зигмунда Фрейда. Считается, что в таких условиях подсознанием вырабатываются иррациональные (невыразимые в понятиях логики) идеи, которые позволяют выйти за пределы привычных представлений и стереотипов.

Улучшенным методом мозгового штурма является синектика. Смысл ее заключается в том, что используются постоянный группы "генераторов идей", которые накапливают опыт решения задач. Растет взаимопонимание, идеи схватываются с полуслова. В этом методе участвуют два механизма творчества: неоперационные и операционные процессы.

Неоперационные процессы основаны на интуиции, операционные - на использовании разного рода аналогий. Обратимся к последнему.

Гегель утверждал: "В умозаключении по аналогии мы из того, что вещи известного рода обладают известными свойствами, заключаем, что и другие вещи этого рода также обладают этим свойством".

Рабочими механизмами для выработки свежего взгляда на задачу являются аналогии:

а) прямая - любая аналогия, например, из природы;

б) личная - попытка взглянуть на задачу, отождествив себя с объектом и войдя в его образ;

в) символическая - нахождение кратного символического описания задачи или объекта;

г) фантастическая - изложение задачи в терминах и понятиях сказок, мифов, легенд.

Пример мозгового штурма при решении задачи раскалывания орехов (стенограмма):

Руководитель: Как расколоть орехи быстро и качественно?

А: В домашних условиях их раскалывают зубами, руками, дверью, молотком, клещами. Р: Как быть, когда орехов много?

Б: Нужно рассортировать орехи на фракции по размерам, а затем каждую фракцию давить на прессе.

Б: можно на орехи наклеивать какое-нибудь вещество, порошок, превратив в шары одного размера и давить, не разделяя на фракции.

Г: Наклеиваемый порошок может быть ферромагнитным, тогда после раздавливания скорлупу можно будет удалить магнитным полем.

Р: Какие силы нужно будет приложить к ореху, как их создать?

А: Сосредоточенную силу, ударить чем-нибудь по ореху или орехом обо что-то.

Б: Скорлупу нужно обработать каким-либо раствором, смягчить, растворить и т.п.

Б: Использовать земное притяжение в момент падения ореха на пол.

Р: А как эту задачу решают животные?

А: разбивают клювом или бросают на что-либо твердое.

Б: орехи можно раскалывать электро-гидравлическим ударом, поместив в емкость с жидкостью.

В: Нужно раскалывать не снаружи, а изнутри просверлить дырочку и подать туда воздух под большим давлением.

Г: можно поместить орехи в камеру, подать туда воздух под большим давлением, а затем давление резко уменьшить - орех разорвет внутренне давление, т.к. оно не сможет быстро упасть.

Последний ответ соответствует идее, которая признака изобретением.

С методом мозгового штурма мы сталкиваемся в телевизионной передаче "Что? Где? Когда?", в которой играющие команда чаще всего используют синектический принцип генерирования идей.

Синектика - предел того, что можно достичь, сохраняя принцип перебора вариантов. Этот принцип сравним с костяной иглой, что позволила человеку одеваться, однако промышленное производство одежды стало возможным только после изобретения челночного переплетения нитей и создания принципиально нового устройства - швейной машины. Точно так и современный творческий процесс требует принципиально отличающихся способов. Одним из них является недавно возникшая теория решения изобретательских задач (ТРИЗ).

Суть ТРИЗ в том, что она принципиально меняет технологию выработки новых технических идей. Вместо перебора вариантов ТРИЗ предполагает мыслительные действия, опирающиеся на знания законов развития технических систем.

"ТРИЗНАЯ" технология решения сложных нестандартных задач построена на применении АРИЗ (алгоритма решения изобретательских задач).

АРИЗ, являясь комплексной программой (методикой) анализа и решения изобретательских задач включает в себя девять частей (в частности, модификация АРИЗ-85-Б):

1. Анализ задачи - переход от расплывчатой изобретательской ситуации к четко поставленной и предельно простой схеме (модели) задачи.

2. Анализ модели задачи - учет имеющихся ресурсов, которые можно использовать при решении задачи: ресурсов пространства, времени, вещества и полей.

3. Определение идеального конечного результата (ИКР) и физического противоречия (ФП), мешающего достижению ИКР.

4. Мобилизация и применение вещественно-полевых ресурсов (веществ и полей, которые уже имеются или могут быть легко получены по условиям задачи).

5. Применение информационного фонда - использование опыта, сконцентрированного в информационном фонде ТРИЗ, т.е. имеющихся методик решения сходных задач.

6. Изменение или замена задачи. Если задача не решается буквальным преодолением ФП, например, разделением противоречивых свойств во времени или в пространстве, то обычно необходимо изменить смысл задачи - снять первоначальные ограничения, обусловленные психологической инерцией и до решения кажущиеся самоочевидными. Так как изобретательские задачи не могут быть сразу поставлены абсолютно точно, то эта часть может совмещаться с первой частью.

7. Анализ способа устранения ФП - это проверка качества полученного ответа, т.к. физическое противоречие должно быть устранено почти идеально. В противном случае можно получить плохо внедряемую слабую идею.

8. Применение полученного ответа - максимальное использование ресурсов найденной идеи, в том числе для многих аналогичных задач.

9. Анализ хода решения - такой анализ повышает творческий потенциал человека.

Пример: Ледокол двигается во льдах по принципу клина. Если лед имеет толщину 2-3 метра, скорость ледокола не превышает 4 км/час. Наращивать мощность двигательной установки, больше возможности нет. Как значительно повысить скорость движения ледокола? Решение:

1. Сначала надо убрать терминологию ("ледокол" - значит "колоть лед, а нам надо найти новую технологию). Назовем его, например, "штуковиной".

2. Сформулируем идеальный конечный результат ИКР. "Штуковина" со страшной силой мчится сквозь лед, как будто льда вовсе нет.

3. Нужно выбрать элемент, который следует изменить. Лед -природный элемент, поэтому менять его свойства трудно. Меняем технический элемент - "штуковину".

4. Какая часть выбранного элемента должна быть изменена? Мешает часть, упирающаяся в лед (см. рис.1.3.).



Между нижней и верхней частями корабля должна быть пустота, в которую проходит лед. Эти части соединяются ножами.

Арктический НИИ предложил резать лед гигантскими фрезами, расположенными в носовой части судна. Вырезанные блоки льда специальными конвейерами подаются на палубу, переходят на боковые конвейеры и сбрасываются в сторону. Огромная установка по переработке льда, которая так и не была построена. А в середине 70-х годов началось проектирование и строительство полупогруженных судов по изложенному выше принципу.

Лекция 8

Моделирование, как средство отражения свойств материальных объектов

Исследование каких-либо явлений, процессов или систем объектов путем построения и изучения их моделей называется моделированием. Это одна из основных категорий теории познания. На идее моделирования по существу базируется любой метод научного исследования - как теоретический (при котором используются различного рода знаковые, абстрактные модели), так и экспериментальный (использующий предметные модели).

Сущность моделирования заключается в исследовании объекта с помощью заменителя - модели, что позволяет по результатам опытов на модели судить о явлениях происходящих в "натурных условиях".

В основе моделирования лежит теория подобия, которая предполагает, что процессы и явления подобны, если между ними существует соответствие, определяемое критериями подобия.

Критерии подобия - это безразмерные комплексы параметров процесса или явления, их отвлеченные характеристики, полученные в результате абстрагирования и идеализации.

Высказанное суждение можно представить простыми формулами вида:

ХМ = КХ ХН; ХН = ХМ/КХ

Где: ХН - значение какой-либо величины в натурных условиях;

хМ - значение соответствующей величины на модели;

КХ - коэффициент подобия.

Для каждого рода величин коэффициент подобия (масштаб моделирования) должен быть постоянным: например, отношение Ll = Kl линейных размеров в натуре к сходственным размерам на модели должно равняться одному и тому же числу Kl

Все виды моделирования подразделяются на четыре класса:

I. Макет исследуемого объекта - представляет собой его внешнее пространственное изображение, характеризует взаимодействие и взаимосвязь отдельных частей объекта.

2. Физическая модель объекта (процесса) - в вещественном виде с большей или меньшей точностью воспроизводит процессы, происходящие в исследуемом объекте.

3. Предметно-математическая модель - позволяет исследовать объект путем изучения явлений и объектов иной физической природы.

4.Математическая модель - способ описания объективно существующих явлений с помощью математической символики.

Модели широко используются при исследовании и проектировании различных технологических объектов (в т.ч. машин и аппаратов легкой промышленности) для определения на модели тех или иных свойств (характеристик) как объекта в целом, так и отдельных его частей. Например, при исследовании на физической модели процесса или рабочих органов машин для обработки деталей деформированием (тиснение, предварительное формование подошв, стелек, обтяжка и затяжка верха обуви и др.) должны соблюдаться условия подобия.

Характерным для физического моделирования является:

- относительно полное воспроизведение свойств моделируемого объекта;

- возможности использования аппаратуры для регистрации показаний измерения без использования преобразующих устройств, вносящих дополнительные погрешности и искажения;

- возможности изучения явлений, не поддающихся математическому описанию;- дороговизна моделей сложных объектов;

- трудность варьирования некоторыми параметрами моделируемого объекта в необходимых границах.

Пример деформированных кожевенных или полимерных материалов может использоваться при предметно-математическом моделировании их реологических свойств с составлением уравнений их деформационного поведения. Так, упругая деформация, описываемая уравнением F =CS ,где С - жесткость, $ - абсолютная деформация моделируется пружиной (см. рис. 1.4, а). Пластическая деформация моделируется гидравлическим катарактом с вязким трением (например, системой цилиндр-поршень) (рис. 1.4,6). Математически такая деформация интерпретируется следующим уравнением:

F = D (dS/dt)

Где: D - жесткость катаракта (коэффициент численно равный нагрузке (Н), необходимой для скольжения поршня со скоростью I м/сек).

Для моделирования высокоэластической деформации соединяют параллельно пружину и катаракт (рис.1.4,в), получим так называемую модель Кельвина-Фойхта. При этом их деформации одинаковые, а суммарное сопротивление равняется внешней нагрузке

F = cS + D(dS/dt)

Таким образом, в приведенной предметно-математической модели напряжение моделировалось нагрузкой, модуль мгновенной упругости - жесткостью пружины, вязкость пластического течения - жесткостью катаракта, вязкость и модуль высокоэластической деформации - жесткостью катаракта и пружины элемента Фойхта.

Наряду с механическим, широко используется и электрическое моделирование, обладающее рядом достоинств: простота, компактность, дешевизна и т.п. При электрическом моделировании даже в самых сложных случаях можно ограничиться моделью, состоящей из набора простых деталей: конденсаторов, индуктивностей и резисторов. Их комбинации позволят массу моделировать индуктивностью; силу - электрическим напряжением; скорость - силой тока; податливость, мягкость, упругость - емкостью; смещение - электрическим зарядом и т.п.

Наиболее абстрактным и идеальным отображением исследуемого объекта является математическая модель. Такой тип исследования осуществляется на моделях, физическая природа которых отличается от физической природы оригинала, благодаря чему значительно упрощается сам процесс моделирования. Например, с помощью одних и тех же формул можно моделировать аэродинамические и гидродинамические явления, колебания струн и мембран, особенности поведения электронов в атомах и молекулах и т.п.

Математическая модель явления представляет собой гипотезу, выраженную системой символов.

Существуют, в основном, два метода разработки математических моделей: теоретический и экспериментально-статистический.

Теоретический метод основан на изучении физико-математических и физико-химических закономерностей объекта, составлении и решении систем уравнений в алгебраической, дифференциальной и конечно-разностной форме.

Экспериментально-статистический подход основан на статистической обработке результатов экспериментов, организованных специальным образом. Главное достоинство моделей, получаемых на основе теоретического исследования, заключается в их большой прогностической мощности. Зная достаточно полно описание поведения объектов, можно с большей степенью достоверности предсказывать их поведение в самых разнообразных условиях.

Слабое место такого подхода - трудность создания хорошей теории сложных явлений и процессов.

Получить модели для большого класса объектов легкой промышленности весьма сложно и есть сомнения, что можно достичь цели в обозримый срок.

Обычным недостатком теоретических математических моделей является и то, что при их разработке принимается ряд таких допущений, что эти модели при практическом применении не дают ожидаемых результатов.

Значительный интерес представляют более доступные и зачастую более эффективные экспериментально-статистические методы, исследования сложных объектов, имеющие своей целью, как отыскание математического описания, так и оптимизацию объектов и процессов по этим моделям.

Общим и главным недостатком всех математических моделей является их недостаточная наглядность, особенно на первых этапах исследования, что ведет иногда к явному или скрытому подсознательному сопротивлению исследователя применению математических методов при разработке модели. Поэтому, вероятно, наиболее целесообразным является применение последовательного метода моделирования путем создания макета, физической модели, предметно-математической модели и математической модели, как завершающего этапа исследования.

Размещено на Allbest.ru

...