Интерес к вопросам психологии и теории технического творчества возник к концу XIX - началу XX века, когда из различных видов производственной деятельности начал выделяться как самостоятельный изобретательский и конструкторский труд.
В то время в литературе, как правило, обсуждались проблемы творчества в искусстве (художественном, поэтическом, музыкальном и др.)* Техническое творчество при этом почти не анализировалось и не изучалось ни психологами, ни теоретиками творчества. Таким образом, обширная область творческой деятельности оказалась за пределами науки о творчестве. Это было вызвано двумя причинами:
- во-первых, считалось, что творить могут только люди искусства, а технические новинки создаются грязным, низким трудом ремесленников и не могут быть отнесены к сфере творчества;
- во-вторых, если представители искусства раскрывали свои творческие секреты, свою «творческую лабораторию», то изобретатели и создатели новой техники старались держать в секрете свои приемы, методы и принципы, применяемые при создании технических новинок.
Начало изучения природы технического и научного творчества в России своими трудами положили ее ученые и инженеры. К числу наиболее известных относятся такие работы, как: «Теория творчества» инженера П. Энгельмейера (1910 г.); «Философия изобретения и изобретение в философии» философа И. Лапшина (1922 г.); «Процесс творческой работы изобретателя» П.М. Якобсона (1934 г.) и др.
Среди зарубежных работ наиболее известны: «Математическое творчество» Анри Пуанкаре (русский перевод 1919 г.); «Изобретатели и исследователи» (1909 г.) и «Великие люди» (1910 г.) В. Оствальда; «Творческое воображение» Т. Рибо (1901 г.); «Психология изобретения» И. Россмана (1931 г.) и др.
На этом этапе авторам указанных работ приходилось отстаивать тезис о том, что творчество в технике и науке есть такое же творчество, как и творчество в искусстве, и что зарождение творческой идеи как у художника, так и у изобретателя происходит совершенно одинаково, отличаясь лишь целями и условиями проявления [21].
В этих первых работах о техническом и научном творчестве была выполнена классификация этапов творческого процесса, что явилось дисциплинирующим работу изобретателя моментом. Выдающийся русский исследователь творчества Петр Энгельмейер (1855-1942) творческий процесс представил состоящим из трех актов:
- первый акт - акт интуиции и желания. Происхождение замысла, появление идеи, гипотезы, принципа изобретения, цели того, над чем следует работать;
- второй акт - акт знания и рассуждения. Выработка схемы и плана. Ставятся мысленные опыты, проводятся эксперименты и логический анализ, определяется новизна;
- третий акт - акт умения. Конструктивное выполнение изобретения. Решение задачи применения, эксплуатации.
П.М. Якобсон процесс работы изобретателя подразделял на семь стадий:
1. Интеллектуальной готовности.
2. Усмотрение проблемы.
3. Зарождение идеи - формулировка задачи.
4. Поиск решения.
5. Разработка принципа решения.
6. Превращение принципа в схему.
7. Техническое оформление и развитие изобретения.
Вот, например, как П.М. Якобсон представляет себе интеллектуальную готовность и усмотрение проблемы изобретателем [21]: «У него появляется желание изобретать, он чувствует беспокойство, ему не по себе от сознания, что он ничего в этом направлении не делает. Вместе с тем он чувствует известную активность мысли, чувствует себя готовым к какой-то новой работе. Он читает различные книги. Иногда даже без всякого специального подбора и вместе с тем он читает так, что вбирает в себя определенный ряд вещей с сознанием, что это сможет ему пригодиться. Изобретатель накапливает известные технические впечатления, он проявляет повышенный интерес к машинам, механизмам, которые его окружают. Он сознает, что над этой машиной работать не будет, а все-таки его занимает, как она действует, как сочленены одна часть с другой, какая техническая задача разрешена таким устройством».
Постепенно изобретатель выявляет наиболее интересующие его вопросы и проблемы, над которыми он начинает более целенаправленно работать. Так происходит усмотрение проблемы, которая чаще всего вызвана текущими потребностями общества.
Эти схемы творческих процессов не претерпели серьезных изменений до настоящего времени. Так, в работе [6] предложена схема решения для любой технической задачи, состоящая из следующих главнейших этапов:
1. Постановка задачи.
2. Поиск вариантов решения.
3. Анализ вариантов.
4. Оценка вариантов и выбор решения.
Под постановкой задачи понимается усмотрение общественной потребности или трудности, определение цели, ограничений и критерия выбора решения.
Возникшая общественная потребность в создании технической системы (ТС), выполняющей требуемую функцию, определяет цель. Цель - это то, к чему мы стремимся и что будем иметь в результате решения. При формулировке цели обычно указывается начальное и конечное состояние ТС. Например, создать машину, преобразующую электрическую энергию (начальное состояние) в механическую (конечное состояние).
Ограничения - условия создания ТС, нарушение которых приведет к неприемлемому решению по работоспособности, экономической целесообразности, размещению и т.п. ТС. Критерий выбора - наиболее важный признак или комплекс таких признаков решения, по которым можно качественно или количественно оценить оптимальность принимаемого решения.
После выполнения этапа постановки задачи приступают к процессу поиска вариантов решений, которые должны быть:
-физически осуществимыми (соответствовать законам природы);
- технически реализуемыми (соответствовать ресурсам и уровню научно-технического развития общества);
- экономически выгодными.
Решить задачу, начиная с конца, однозначно, т.е. от цели и требуемых характеристик к техническим средствам, возможно лишь для простых, тривиальных задач. Для сложных задач неопределенность решения может быть преодолена за счет перебора вариантов. Вначале намечаются и определяются характеристики как можно большего количества вариантов, а затем отбрасываются наименее подходящие по выбранному критерию качества (минимум массы, наименьшие габариты, надежность работы, высокий КПД и т.п.).
Чаще всего на практике решаются технические задачи, связанные с усовершенствованием существующего прототипа. Эти задачи возникают после выявления в эксплуатации недостатков ТС. Устранение недостатков зачастую приводит к ухудшению других свойств ТС, т.е. возникает задача по устранению технического противоречия, иначе - задача-про- тиворечие [6].
Кроме таких, наиболее часто возникающих задач, имеется целый класс задач по синтезу структуры. Задача синтеза может возникнуть при необходимости достройки недостающих подсистем в ТС или построения ТС с нуля, т.е. синтез многофункциональной технической системы, обеспечивающей выполнение требуемых функций. Эти задачи наиболее сложны и трудоемки. Сложной является взаимная увязка подсистем, зачастую приводящая к возникновению целого ряда дополнительных задач, причем эти задачи могут быть как задачами-противоречиями, так и задачами простого синтеза. Задачи-противоречия в процессе совершенствования ТС возникают более часто. Однако оба типа задач могут переходить одна в другую при поиске решения. Например, при синтезе ТС возникают противоречия. Некоторые из них могут оказаться довольно обостренными, что потребует решения задачи-противоречия. С другой стороны, разрешение противоречия может потребовать разрушения системы или ее части и решения новой задачи синтеза.
Простая задача синтеза - это построение одной подсистемы с одной элементарной функцией. Сложная задача синтеза - построение нескольких взаимосвязанных подсистем или построение многофункциональной ТС. Также и задача- противоречие может быть простой, имеющей одно техническое противоречие, и сложной с несколькими противоречиями, т.е. иметь несколько взаимосвязанных положительных и отрицательных эффектов.
Решение сложных задач может быть облегчено за счет ранжирования простых задач, из которых состоит сложная.
Синтез ТС может выполняться на основе структурного или функционального подхода [22]. При поиске структуры ТС, соответствующей условиям задачи, согласно первого подхода выполняют следующее:
- анализ условия задачи;
- предварительный синтез структуры на основе выполненного анализа;
- сравнение предварительной структуры с другими известными структурами;
- выделение нужной структуры и ее перекомбинирование.
При формировании структуры на основе функционального подхода процесс идет несколько иначе, в основу его положены:
- анализ условия задачи;
- выделение основной функции будущей конструкции;
- поиск механизма с нужной функцией;
- перенос выбранного механизма в новые условия;
- переконструирование механизма с целью применения найденной функции.
В настоящее время стал применяться смешанный принцип поиска структуры, включающий как наиболее известный структурный принцип, так и менее разработанный - функциональный.
§ 2.3. Законы диалектики в технике и закономерности развития технических объектов и систем
Исследование описаний изобретений [2, 17] позволило сформулировать следующие идеи, легшие в основу разработки теории решения технических (инженерных) задач:
1. Наиболее целесообразно при разработке теории учитывать не столько закономерности мышления, сколько закономерности развития ТС;
2. Так как главный предмет исследования - развитие ТС, то теория должна строиться на основе науки о развитии
- диалектики и важнейшего в ней учения - о противоречиях [17]. Закономерности развития ТС являются частными проявлениями всеобщих законов диалектики:
- единства и борьбы противоположностей (закон противоречий);
- перехода количественных изменений в качественные;
- отрицание отрицания;
- о всеобщей связи и взаимозависимости явлений. Реализуются эти законы соответствующими изменениями материи (деление, объединение, переходы из одного агрегатного состояния в другое и т.п.). Способы изменения являются как бы своеобразными операторами преобразования материи. В неживой природе преобразования происходят без участия человека или живых существ (разрушение гор, таяние льда, замерзание воды, испарение и образование облаков и т.п.). Там, где есть живые существа, они интенсивно влияют на процессы в природе.
В технике изменения целенаправленно производит сам человек.
Закономерности развития ТС могут быть разделены на законы статики (ТС рассматриваются в неподвижном состоянии), динамики (ТС рассматриваются в движении) и кинетики (фиксируются изменения ТС во времени).
В работах [2, 23] выделены три следующих закона, определяющих условия возникновения и жизнеспособности ТС:
- закон полноты частей ТС, требующий обязательного минимума компонентов (двигатель, трансмиссия, рабочий орган и средства управления) и их минимальную работоспособность;
- закон энергетической проводимости ТС9 согласно которому необходимо обеспечение сквозного прохода энергии через систему;
- закон согласования ритмики частей ТС, предусматривающий согласование периодичности действия, частот колебаний и т.п.
Кроме этих законов выявлены законы развития ТС:
- закон увеличения степени идеальности ТС, означающий, что его развитие идет в направлении максимального приближения к идеальной машине, т.е. к машине, создающей полезный результат при наименьших затратах;
- закон неравномерности развития частей ТС, согласно которому отдельные части ТС развиваются по-разному, усиливая технические противоречия между ними, особенно у сложных ТС;
- закон перехода ТС в подсистему, означающий, что система может развиваться до определенного предела, после которого для обеспечения дальнейшего развития она должна быть включена в надсистему в качестве ее части;
- закон динамизации ТС, согласно которому для развития системы ТС необходим ее переход от жесткой, постоянной структуры к гибкой, управляемой структуре. Например, в авиации переход к убирающимся шасси, к крылу самолета с изменяющейся геометрией: на транспорте- автобус с выдвигаемой ступенькой; складной велосипед, пантограф на электровозе и др.;
-закон перехода рабочих органов системы с макроуровня на микроуровень. Например, обработка твердых материалов режущими инструментами заменяется
воздействием лазера, плазменной струи, электроискровым методом.
Наряду с перечисленными законами, имеющими прикладной практический характер, А.И. Половинкиным выполнены работы по выявлению законов развития теоретического направления [3]:
- закон прогрессивной эволюции техники, описывающий этапы жизненного цикла ТС и изменение главных показателей критериев развития системы во времени. Главные показатели ТС изменяются в соответствии с функцией вида:
K=L/(a+e be"fit), (2.1)
где L, afb,fi- коэффициенты, определяемые статистическими данными; t - время. Функция (2.1), называемая S-функ- цией, имеет вид, представленный на рис. 2.1. На начальном участке (до точки А) ТС развивается медленно, затем, когда начинается ее массовое применение, идет бурное развитие (до точки Б). После этого темпы развития начинают спадать. Законы прогрессивной эволюции наиболее целесообразно использовать при выполнении работ по анализу истории техники и прогнозированию развития техники:
- закон соответствия между функцией и структурой объекта, заключающийся в том, что в правильно спроектированной ТС каждый элемент имеет свою определенную функцию (назначение). У правильно спроектированной ТС нет «лишних деталей». Любая функция может быть реализована множеством различных конструкций (структур);
- закон симметрии, учитывающий то обстоятельство, что если по условиям работы ТС должна иметь какой- либо тип симметрии, то он должен найти отражение в конструкции. Например, железнодорожный путь симметричен относительно оси движения, поэтому тележки электровоза, тепловоза, трамвая и др. выполняются с симметричным расположением колес относительно этой оси;
Рис. 2.1. Закономерность изменения главных показателей ТС при неизменном принципе действия
- закон стадийного развития отражает четыре основные стадии развития ТС: первая стадия - реализуется технологическая функция (обработки); вторая стадия - реализуется технологическая, а также энергетическая функция (обеспечение энергией процесса обработки предмета труда); третья стадия - ТС реализует еще функцию управления процессом труда; четвертая стадия - ТС реализует для себя еще функцию планирования объема труда.