Развитие технического мышления студентов посредством решения технических задач

Процесс обучения в техническом вузе предполагает развитие особенностей мышления будущих инженеров, т. е. технического мышления (ТМ), которое определит 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 разработки конструкции, позволяющей получить качественно новый продукт.

При обучении физике в техническом вузе должна быть поставлена и решена задача развития технического мышления, ибо физические законы и явления есть основа технических систем. Методики и технологии обучения, способствующие развитию различных сторон технического мышления, с 60 - 70-х годов 20-го столетия являются объектами творческого поиска многих исследователей, занятых в сфере профессионального обучения [1; 2; 3; 4; 5].

Анализ исследований, в которых выделены наиболее характерные стороны технического мышления и даны его определения, позволил выбрать одно наиболее полное определение этого понятия: техническое мышление есть комплекс интеллектуальных процессов и их результатов, которые обеспечивают решение задач профессиональнотехнической деятельности [4].

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

Нами разработана методика обучения студентов решению технических задач стандартизованными методами и с применением базы физических эффектов, явлений и их параметров.

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 опираются на те закономерности творческого процесса, которые необходимо знать инженеру, чтобы оптимальным путем получить требуемый результат, преодолеть технические противоречия.

Анализ литературы [1; 2; 3; 4; 5; 6] позволяет сделать вывод, что процесс решения любой технической задачи включает четыре основных этапа: 1) постановку задачи; 2) поиск вариантов решения; 3) анализ вариантов решения; 4) оценку вариантов и выбор решения.

При постановке задачи осуществляется уточнение исходной проблемной ситуации путем определения цели, ограничений и критерия выбора решения. Цель описывает желаемый результат, соответствующий какой-либо технической или общественной потребности.

Ограничения указывают условия, при которых достижение цели можно считать приемлемым. Эти условия обычно имеют вид запретов (на изменение либо применение чего-либо) или указания на необходимость применения определенного средства достижения цели. Ограничения бывают трех уровней: а) физическая реализуемость; б) техническая реализуемость; в) экономическая выгодность.

Критерий выбора решения отражает тот из наиболее существенных признаков желаемого решения, по которому 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. 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 составляет основную часть предлагаемой педагогической методики. Внедрение данной методики в процесс обучения физике позволяет студентам параллельно с изучением основных физических законов освоить основные этапы разрешения технических противоречий 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 производятся отсев всех непригодных вариантов и выбор оптимального решения.

Наиболее рациональным является направленный поиск оптимального решения. Чтобы поиск стал таковым, надо уметь сформировать поисковые ограничения, выводящие в район предпочтительного решения задачи.

Наша методика направлена на обучение студентов решению задач на усовершенствование технических объектов. При решении технической задачи на практических занятиях по физике мы ограничиваемся оптимальным принципиальным решением, не рассматривая его конструктивных особенностей.

Рассмотрим подробнее вышеуказанные этапы решения технических задач. Решение любой поставленной задачи начинается с формулирования противоречия. Противоречия делятся на административные (АП), технические (ТП), физические (ФП). АП обычно лежит на поверхности: нужно что-то сделать, а как это сделать - не известно. В глубине АП лежит ТП: если известным способом улучшить одну часть (один параметр) технического объекта, то недопустимо изменяется его другая часть (другой параметр). 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 определенная последовательность операций по выявлению, уточнению и преодолению ФП, а затем и ТП.

Направленность мышления достигается ориентировкой на идеальный конечный результат (ИКР) - идеальный технический объект (способ, идеальное устройство, машину). Идеальный объект - это когда объекта нет, а результат получается тот же, что и при его присутствии. Чтобы получить этот результат или приблизиться к нему в конечном счете, надо устранить физическое противоречие.

С учетом вышеизложенного и на основании анализа работ [7; 8; 9] предлагаем алгоритм решения технической задачи.

Алгоритм решения технической задачи

• 1.    Постановка задачи.

  • 1.1. Ознакомление с условиями технической задачи: выявление технического объекта; построение схемы технического объекта (принципа действия).

  • 1.2. Определение конечной цели решения задачи (изменяемой и неизменяемой характеристик объекта).

• 2.    Конкретизация условий, построение модели задачи.

  • 2.1.    Определение физического принципа, положенного в основу работы технического объекта.

  • 2.2.    Выявление конфликтующей пары характеристик объекта.

• 3.    Анализ модели задачи.

  • 3.1.    Формулировка технического противоречия.

  • 3.2.    Формулировка физического противоречия.

• 4.    Нахождение принципиального решения технической задачи.

• 4.1.    Формулирование идеального конечного результата.

• 4.2. Устранение физического противоречия и нахождение принципиального решения в физической форме при помощи фондов типовых моделей задач-аналогов; стандартных приемов устранения физических противоречий; физических эффектов и явлений.

• 4.3.    Переход от физической формы решения задачи к технической (снятие технического противоречия): формулирование способа работы объекта; разработка принципиальной схемы объекта, реализующей этот способ.

• 5.    Оценка полученного решения технической задачи.

ФИЗИКА

Методы выявления, анализа, разрешения противоречий и оценки полученного решения, аппарат структурного синтеза, основные понятия логики поиска - основополагающие элементы развития технического мышления в целом. Поэтому обучение студентов этим базовым элементам есть основа предлагаемой методики. Рассмотрим применение представленного алгоритма решения технической задачи на примере.

Задача. Ведущий вал вращается со скоростью от 400 до 4000 об/мин. Ведомый вал должен постоянно иметь 400 об/мин. Как это осуществить?

Постановка задачи. Нужны две подсистемы: одна передает вращение, другая управляет числом оборотов, вернее — передаточным отношением. В этом примере изменяемыми характеристиками являются число оборотов ведущего вала и габариты объекта, неизменяемыми — число оборотов ведомого вала, соосность валов (рис. 1).

Рис. 1. Схема технического объекта

Конкретизация условий, построение модели задачи: подсистема передачи вращения должна быть легкоуправляемой; на входе и выходе должна быть механическая энергия вращения; преобразование числа оборотов производится по программе.

Для механической передачи с учетом указанных условий можно найти легкоуправляемый вариант, например: фрикционная (лобовая) передача - модель задачи для подсистемы передачи вращения (рис. 2).

Рис. 2. Схема модели задачи для подсистемы передачи вращения

Выявляем конфликтующую пару характеристик подсистемы передачи вращения объекта, анализируем модель задачи (ТП_Л)\ ведомый и ведущий валы должны быть соосны, а в предложенной модели это условие не соблюдено. ФП_Л : валы должны быть соосны и валы не должны быть соосны.

Нахождение принципиального решения технической задачи для первой подсистемы. ИКР для первой подсистемы: валы сами должны устранить вредное свойство - несоосность.

Разрешение ФП_Л и ТГЦ первой подсистемы: можно ввести преобразование в пространстве - зубчатую передачу, а чтобы она не мешала, сместить одно зубчатое колесо на край, а другое объединить с ведущим фрикционом (см. рис. 3).

Рис. 3. Схема разрешения ФП₁ и ТП₁ первой подсистемы

Сформулируем модель задачи для подсистемы управления передаточным отношением^-. использовать энергопоток, уже имеющий необходимую пространственно-временную организацию, а именно - ведущий (входной) вал. На него надо навесить центробежный регулятор и двигать с его помощью ведомый фрикционный диск (рис. 4).

Рис. 4. Схема модели задачи подсистемы управления передаточным отношением (вторая подсистема)

Выявляем конфликтующую пару второй подсистемы, анализируем модель задачи (ТП^у. центробежный регулятор - фрикционная передача, т. к. программу перемещения ведомого фрикционного колеса при изменении оборотов ведущего вала трудно реализовать: центробежная сила пропорциональна квадрату числа оборотов, а перемещение фрикционного колеса должно быть пропорционально первой степени. ФПу. центробежная сила должна быть пропорциональна квадрату числа оборотов вала и не должна быть пропорциональна квадрату числа оборотов.

Нахождение принципиального решения технической задачи для второй подсистемы. ИКР для второй подсистемы: центробежный регулятор и фрикционная передача должны сами устранять вредное свойство.

Разрешение ФП₂ и ТП₂ второй подсистемы^-, в данном случае можно использовать стандарт - введение между двумя взаимодействующими объектами (центробежный регулятор с ведущим валом и ведомый вал) третьего объекта, являющегося видоизменением одного из них: пружины переменной жесткости.

На основании изложенного становятся ясными способ работы объекта и принципиальная схема его реализации (рис. 5).

Рис. 5. Схема разрешения ФП2, ТП2 и общая принципиальная схема решения задачи

Приведенный выше пример решения технической задачи наглядно демонстрирует применение алгоритма и некоторых стандартных решений. Однако такие задачи целесообразно предлагать студентам, уже имеющим некоторый опыт применения алгоритма и стандартов решения технических задач, т. е. в конце первого и на втором году обучения физике.

ФИЗИКА

Внедряя в процесс обучения физике будущих инженеров методику решения технических задач, мы достигаем нескольких целей: 1) в процессе решения технической задачи студенты более глубоко осмысливают физические законы, явления и эффекты; 2) устраняя техническое противоречие, студент осуществляет логические операции с конкретными техническими объектами, что, во-первых, развивает его техническое мышление; во-вторых, будущий инженер усваивает методы разработки технических объектов; в-третьих, он осознает на практике тесную связь физики и техники.