151027 (Технические задачи как средство развития профессионального мышления будущих инженеров)

ТЕХНИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ КАК СРЕДСТВО РАЗВИТИЯ

ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО МЫШЛЕНИЯ БУДУЩИХ ИНЖЕНЕРОВ

Боголюбова И.А. , Скроботова Т.В., Федоров О.Л.

Ставропольский аграрный университет

Процесс обучения в техническом вузе предполагает развитие особенностей мышления будущих инженеров, называемых техническим мышлением (ТМ), которые определят успешность их работы с техническими объектами начиная с осознания возникшего технического противоречия, последующего поиска физического закона, явления, свойства , применяя которые возможно разрешение технического противоречия, и далее разработки конструкции (машины, механизма, устройства, прибора и т.д.), позволяющих получить качественно новый продукт.

Необходимость развития технического мышления в процессе обучения была осознанна в начале второй половины ХХ столетия, как естественная реакция системы образования на требования бурно развивающейся системы технического обеспечения всех отраслей промышленности страны.

При обучении физике в техническом вузе кроме традиционно решаемых задач обучения и воспитания, должна быть поставлена и решена задача развития технического мышления, ибо физические законы и явления есть основа большинства технических систем, благодаря чему начинать развитие этого профессионально значимого качества будущих инженеров нужно уже с первых дней обучения. Методики и технологии обучения, включающие структурные компоненты, способствующие развитию различных сторон технического мышления, с 60-70-х годов двадцатого столетия являются объектами творческого поиска многих исследователей, занятых в сфере профессионального обучения.

Определяя понятие «техническое мышление» в психологических, педагогических и методических исследованиях, выделены наиболее характерные признаки этого процесса: «Осознанное использование современных научных достижений для решения инженерно-практических задач, «направленность на самостоятельное составление задач и их решение», «решение технических задач», «оперирование производственно-техническим материалом». В своем исследовании мы опирались на определение понятия «техническое мышление» представленное Мухиной М.В.: техническое мышление есть комплекс интеллектуальных процессов и их результатов, которые обеспечивают решение задач профессионально-технической деятельности (конструкторских, технологических, возникающих при обслуживании и т.д.).

Большинством исследователей признается, что развитие технического мышления происходит в результате проблемного оперирования производственно-техническим материалом, т.е. решения технических задач в различных вариантах.

Исторически проблемные задачи гениальные одиночки решали эвристическими методами («инсайт»), позже группы исследователей объединялись при решении технических задач методом мозгового штурма, коллективной атаки и т.д. Однако накопление опыта решения ТЗ привело к разработке методов с набором стандартных приемов ТРИЗ, АРИЗ и др.

Нами разработана методика обучения студентов решению технических задач стандартизованными методами и с применением базы физических эффектов и явлений и их параметров, организованных в поисковый компьютерный комплекс « Физический эффект».

Применение стандартизованных методов поиска решений технических задач не уничтожает творческий процесс, но рационализирует его, позволяя не тратить силы и время на поиск уже известных методов решений. Эти методы содержат те закономерности в творческом процессе, которые необходимо знать инженеру, чтобы оптимальным путем получить требуемый результат, преодолеть технические трудности.

Анализ литературы позволяет сделать вывод, что в процессе решения любой технической задачи необходимо пройти четыре основных этапа: 1. Постановка задачи; 2. Поиск вариантов решения; 3. Анализ вариантов решения; 4. Оценка вариантов и выбор решения.

При постановке задачи осуществляется уточнение исходной проблемной ситуации путем определения цели, ограничений и критерия выбора решения.

Все эти категории определяют желаемое состояние, к которому надо прийти в результате поиска решения.

Цель описывает желаемый результат, соответствующий какой-либо технической или общественной потребности. Определить цель - значит ответить на вопрос: «Что получится в результате решения?» Обычно в формулировке цели указываются два состояния: исходное и конечное желаемое.

Ограничения указывают условия, при которых достижение цели можно считать приемлемым. Эти условия обычно имеют вид запретов на изменение или применение чего-либо или, наоборот, указания на необходимость применения определенного средства достижения цели.

Ограничения бывают трех уровней:

- физическая реализуемость (решение должно соответствовать законам природы);

- техническая реализуемость (решение должно соответствовать ресурсам и научно-техническому потенциалу общества);

- экономическая выгодность.

Критерий выбора решения отражает тот из наиболее существенных признаков желаемого решения, по которым его можно выделить среди множества возможных решений, обеспечивающих достижение цели при заданных ограничениях. По критерию проводится оптимизация решения.

В результате постановки задачи получается «модель решения», которая служит ориентиром на последующих этапах. В силу указанных причин этот этап является исключительно важным.

Модель решения при постановке задачи формулируется на уровне экономики и отчасти техники, а поиск решений ведется сначала на физическом уровне и, лишь затем, переходит на технический.

Поиск решения технической задачи на физическом уровне и составляет основную часть предлагаемой педагогической методики, которая в процессе обучения физике позволяет студентам параллельно с изучением основных физических законов, решением задач по количественному и качественному анализу физических законов и явлений, освоить основные этапы разрешения технического противоречия путем поиска физического закона или явления, на основе которого возможно решение поставленной технической задачи, что является определяющим при развитии технического мышления,

Поиск решения технической задачи сводится к перебору вариантов. Сначала намечается несколько вариантов решения задачи, затем с помощью анализа определяются характеристики этих вариантов на требуемом уровне, после чего путем сравнения выявленных характеристик с моделью решения производится отсев всех непригодных вариантов и выбор оптимального решения. Другими словами, сначала поле поиска расширяется, затем сужается до одного варианта, т.е. расширяется при синтезе, сохраняется при анализе и сужается при выборе решения.

Перебор вариантов, как универсальная стратегия поиска решений в условиях неопределенности, широко распространен в человеческой деятельности. Наиболее эффективной его формой, рассматриваемой в данной работе, является метод последовательных приближений, когда каждый последующий вариант уточняет предыдущий вариант решения, приближаясь к оптимальному решению.

Наиболее рациональным является направленный поиск оптимального решения. Чтобы поиск был направленным, надо уметь сформировать поисковые ограничения, выводящие в район предпочтительного решения задачи. Сделать поиск технических решений направленным можно, лишь представляя эти решения как закономерные этапы в прогрессивном развитии техники. К настоящему времени выявлено достаточное количество законов прогрессивного развития объектов техники, однако этот вопрос не является предметом нашего исследования, поэтому мы будем использовать имеющийся материал по мере необходимости.

В нашем исследовании студенты учатся решать технические задачи на усовершенствование технических объектов. Под техническим объектом будем понимать некоторое целостное единство взаимосвязанных материальных элементов. При решении технической задачи учебного плана на практических занятиях по физике будем ограничиваться оптимальным принципиальным решением, не рассматривая его конструктивных особенностей.

Итак, рассмотрим подробнее вышеуказанные этапы решения технических задач. Решение любой поставленной задачи начинается с формулирования противоречия, т.е. трудностей, которые необходимо преодолеть, чтобы решить ее. Противоречия делятся на административные (АП), технические (ТП), физические (ФП).

Административное противоречие обычно лежит на поверхности: нужно что-то сделать, а как это сделать неизвестно. В глубине АП лежит ТП: если известным способом улучшить одну часть (один параметр) технического объекта, то недопустимо ухудшится его другая часть (другой параметр). Часто ТП требует корректировки. Правильная постановка ТП позволяет отбросить многие неэффективные варианты решений. В глубине ТП скрыто ФП: к одной и той же части объекта предъявляются взаимно противоположные требования, т.е. технический объект должен обладать свойством и антисвойством.

Процесс решения задачи есть процесс определенной последовательности операций по выявлению, уточнению и преодолению ФП и ТП.

Направленность мышления достигается ориентировкой на идеальный конечный результат – идеальный технический объект (способ, идеальное устройство, машину).

Понятие об идеальном объекте есть одно из самых фундаментальных для всей методики поиска технических решений. Идеальный объект – это когда объекта нет, а результат, получается тот же, что и при его присутствии. Чтобы получить этот результат или приблизится к нему, в конечном счете, надо устранить физическое противоречие.

Для нахождения и устранения физического противоречия разработаны различные специальные алгоритмы: фонд задач-аналогов, фонд специальных приемов – операторов [2], фонд физических эффектов и явлений, с помощью которого можно определять эффекты наиболее подходящие для преодоления содержащихся в задаче противоречий, а также фонд комплексных стандартных приемов (стандартов) – особо сильные сочетания приемов разрешения противоречий.

С учетом вышеизложенного и на основании анализа данных работ[1-3], предлагаем следующий алгоритм решения технической задачи, как средства развития технического мышления студентов, представленный в таблице.

Таблица

Необходимо отметить, что оценка полученного решения на эффективность с точки зрения вышеуказанных поисковых ограничений, является очень важным этапом решения технической задачи, т.к. максимально способствует развитию элементов технического мышления у обучаемых.

Методы выявления, анализа и разрешения противоречий, аппарат структурного синтеза, основные понятия логики поиска являются основополагающими базовыми элементами развития технического мышления в целом. Поэтому обучение студентов этим базовым элементам есть основа предлагаемой методики.

Рассмотрим применение представленного алгоритма решения технической задачи на примере.