Методы технического творчества в школе

Бронштейн Б.З.

 

Введение

Вне зависимости от форм проявления, подходов, идеологии комплекс методов технического творчества возник, отвечая потребностям общества в интенсификации процесса появления новых идей и решений в различных областях человеческой деятельности, и был ориентирован на соответствующих специалистов - разработчиков, то есть на активизацию основной деятельности пользователей.

Однако совершенно другие цели ставятся перед подобным комплексом в условиях учебного заведения и особенно средней школы. А так как все-таки цель является системоопределяющим признаком, то другими станут как форма, так и содержание.

Не менее значимым компонентом являются навыки коллективной деятельности, как в составе всего класса, так и в малых (3...5 человек) рабочих группах. Некоторые методические средства при правильном их преподнесении и совместном использовании с учащимися в известной степени способствуют приобретению подобных навыков.

Хочется подчеркнуть, что как самостоятельный предмет подобная дисциплина не найдет места в основной сетке и в чистом виде может быть включена только в систему дополнительного образования.

Исключение представлял курс, разработанный Ландо Давидом Иосифовичем в конце 80х для системы профессионального технического образования (ПТУ в привычных терминах).

Основная сложность введения подобного курса в школьные программы заключается именно в его целевой переориентации. Адаптирование традиционных учебно-методических средств, предназначенных для подготовки решателей из специалистов промышленности, вряд ли даст положительные результаты за исключением чисто кружковой работы. Это вызвано тем, что проблемы, с которыми учащиеся приходят в школу, несколько отличаются от проблем, стоящих перед слушателями институтов повышения квалификации. Говорить же об общем уровне подготовки вообще не приходится.

Комплекс призван активизировать основную деятельность пользователя, упорядочить ее, сделать более осознанной и познаваемой. Поэтому школьникам необходимо дать инструментарий анализа проблем и синтеза решений, осознанного выбора при наличии альтернатив, а также через учебные задачи и задания показать логику окружающего их развивающегося мира, необходимость знаний по базовым дисциплинам, их взаимосвязь и прикладную значимость. Важнейшая роль принадлежит здесь системному подходу, а также вспомогательным инструментам, позволяющим уверено его использовать, равно и отдельным методам, способствующим развитию навыков системного мышления учащихся.

Наиболее подходящим для включения комплекса является образовательная область «ТЕХНОЛОГИЯ», которая далеко не сводится к урокам труда, традиционно проводимым в ряде учебных заведений.

Являясь одним из разработчиков экспериментального курса «ТЕХНОЛОГИЯ» для 5-7 классов мне удалось относительно непротиворечиво включить некоторые инструменты технического творчества в содержание предмета.

Системный подход, историческая линия

Законы развития технических систем или S-образная кривая развития

Проект «Технологии, ушедшие в историю»

 

На S-образной кривой развития систем выделяют три характерных этапа:

- формирование (статика, построение)

переход от действующего макета, иллюстрирующего принцип действия, до жизнеспособного изделия, обладающего потребительскими, товарными свойствами, основные изменения происходят в подсистемах 1-го и 2-го уровней;

- эволюция (развитие, кинематика)

совершенствование за счет учета опыта продаж, эксплуатации и производства, в результате чего полнее используются возможности реализованного в системе принципа действия, растут абсолютные и удельные показатели, достигают максимума объемы продаж и производства, снижается себестоимость, изменения происходят в подсистемах низших уровней;

- деградация

возможности принципа действия в основном исчерпаны, дальнейшее улучшение абсолютных и удельных показателей неадекватно затратам на их достижение, сокращаются объемы продаж, снижаются объемы производства, изменения приходятся на подсистемы низших уровней с использованием несвойственных для системы принципов действия, подобные изменения распространяются в дальнейшем и на подсистемы все более высоких уровней.

 

Для лучшего понимания преподавателем данного раздела было бы неплохо самостоятельно провести полноценный анализ какой-либо системы по описанию S-образной кривой развития систем.

 

Говоря о развитии технологических систем, следует выделить несколько моментов:

1. Любая технологическая система появляется и используется для удовлетворения той или иной потребности человека.
2. Последствия от появления и использования технологической системы бывают положительные (для этого она создается, используется) и нежелательные.
3. Появление нежелательных последствий формирует потребность в их устранении, что реализуется путем изменений технологической системы и/или правил, регламентирующих ее разработку, изготовление, эксплуатацию и утилизацию.

Понятно, что возможности изменений системы не бесконечны, они ограничены принципом действия, который жестко описан законами естественных наук – физики, химии…

Улучшение показателей системы требует перехода на другой, более прогрессивный принцип действия. Однако при этом предшествующий принцип действия не будет забыт, просто доля использующих его систем в общей массе систем аналогичного назначения уменьшится.

Так, например, гужевой транспорт тысячелетия обеспечивал львиную долю сухопутных перевозок, пока железные дороги не вытеснили его с дальних маршрутов, а автомобили век спустя с ближних.

Тем не менее, иногда в сельской местности мы увидим зверька (лошадь, ослика…), запряженного в телегу. Но что касается досуга (спорта, отдыха, других увлечений), то позиции гужевого транспорта незыблемы, только уж очень незначительны.

Вся история техники является убедительной иллюстрацией сказанному.

Итоговой работой школьников по данной теме является описание полного жизненного цикла выбранной системы. Общее название докладов «Технологии, ушедшие в историю». Выполняя работу школьникам необходимо продемонстрировать владение навыками работы с информацией: поиск и выбор источников, при необходимости перевод их в цифровой формат, окончательное оформление итогового документа в виде, удобном для представления.

Общие требования к работе просты:

1. Указать потребность, удовлетворяемую системой – предшественником и тех ее недостатков, которые вызвали появление пришедшей ей на смену и выбранной в качестве темы доклада. Необходимо также сказать несколько слов о том историческом периоде, в котором происходят описываемые события.
2. Привести не менее 4-5 примеров, иллюстрирующих этапы развития выбранной технологии от зарождения до заката (вытеснения следующей, пришедшей ей на смену). К каждому примеру дать небольшое (1-2 предложения) описание с указанием основных отличий от предыдущего.
3. Перечислить недостатки выбранной системы и пояснить причины замены ее следующей. Привести пример системы, пришедшей на смену выбранной.

Возможные темы докладов:

- парусные суда;

- дирижабли;

- гужевой транспорт;

- печное отопление;

- паровой поршневой двигатель;

- паровоз;

- пароход;

- перьевая авторучка;

- лук;

- арбалет;

- электрический телеграф;

- винтовая авиация;

- логарифмическая линейка;

- пленочный фотоаппарат;

-…

 

Структура доклада

(Номера этапов соответствуют зонам S-образных кривых)

 

№№ этапов	Этап
1
2
3
4
5
6
7
8
9

 

Выполнив доклад, школьник готовит его презентацию.

Подведение итогов работы школьников целесообразно проводить в форме внутригрупповой конференции, а оценку представленных докладов осуществлять совместно с использованием элементов экспертного подхода.

 

Системный подход, предметно-функциональные линии

Система: ее состав и структура

Классификация систем

Начать занятие следует с описания конкретного окружения школьников в классной комнате. Все предметы, окружающие детей от одежды и обуви, до стен помещения и установленного в нем оборудования искусственного происхождения. Они являются технологическими системами (комплексом взаимодействующих элементов, созданных и используемых людьми для удовлетворения собственных потребностей).

Люди, находящиеся в аудитории, собрались не просто так – идет урок (происходит процесс обучения).

Через подобное обсуждение необходимо подвести учащихся к определениютехнологии, как процесса удовлетворения человеческих нужд с помощью искусственно созданных материальных объектов.

Закончить вводную часть следует классификацией систем, попутно предложив школьникам привести примеры для каждого из членов классификации.

Однако следует помнить, что в строгом соответствии с приведенной классификацией однородные системы встречаются нечасто: обычно мы имеем дело с их комбинированными образованиями.

Так социальная система, являясь искусственной, образована природными биохимическими объектами – людьми.

Современное человеческое жилище – это сложный комплекс разнообразных технологических систем: строительных (собственно здание), электротехнических (освещение, лифты, вентиляция…). Охранные системы содержат электронные устройства. Водоснабжение и канализация относятся к гидравлическим системам, все насосы которых приводятся в действие от электротехнических систем – электродвигателей.

Достижения науки дали возможность активно вмешиваться в развитие природных биохимических систем. Появились, микроорганизмы, растения, животные с новыми, ранее не известными признаками (свойствами). Это направление называется биотехнологией. Если раньше подобные задачи человек решал, используя селекцию, то последние десятилетия для этого используют методы генной инженерии, что позволяет в десятки, сотни раз ускорить получение искомого результата. Такие системы, оставаясь биохимическими по принципу действия (внутреннему функционированию), являются также и технологическими, так как созданы человеком для удовлетворения своих потребностей. Формальным подтверждением сказанному является Международная патентная классификация (http://www.fips.ru/russite/classificators/ipc7.htm), по которой признаются изобретениями в том числе:

A01H        Новые виды растений или способы их выращивания; разведение растений из тканевых культур;

A01K        Животноводство; разведение и содержание птицы, рыбы, насекомых; рыбоводство; рыболовство; выращивание или разведение новых пород животных, не отнесенное к другим подклассам; новые породы животных.

В процессе рассказа составляется подобная схема на доске и у ребят в тетрадях, а затем приводятся примеры. Дома, при повторении материала и подготовке к уроку школьники приводят несколько своих примеров.

Необходимо подчеркнуть, что большинство систем, которые нас окружают, являются комбинированными.

Рассматривая терминологический аппарат необходимо напомнить школьникам о структуре определения: наиболее используемыми являются определения через ближайший род и видовое отличие.

А=Б+В, где А – определяемая часть, Б+В – определяющая. При этом, Б – ближайший род (ближайшее родовое понятие), В – видовое отличие.

Анализируя определения основных терминов необходимо показать постоянство указанной структуры, предложить школьникам самостоятельно провести морфологический анализ текстов определений.

Следует обратить внимание учащихся на то, что определение не застывшее в веках образование, а инструмент для решения тех или иных задач.

Система – комплекс взаимодействующих элементов

Природная система – система, возникшая и развивающаяся без участия человека

Искусственная система – система, возникшая и развивающаяся с участием человека

Социальная система – система, элементами которой являются люди

Технологическая система – система, созданная и используемая человеком для удовлетворения собственных потребностей

Надсистема – система более высокого уровня, в которой исходная система является одним из элементов (одной из подсистем) совместно с другими, добавочными.

Компонент – часть системы

Подсистема – часть системы, выделенная по функциональному признаку

- комплекс элементов, выполняющих общую функцию в составе системы.

Элемент - часть системы, выделенная по функциональному признаку и неделимая в пределах рассмотрения

Деталь – изделие, выполненное из однородного материала без сборочных операций

 

Пример морфологического анализа определений

Определяемая часть	Определяющая часть
	Ближайший род	Видовое отличие
Система	комплекс	взаимодействующих элементов
Социальная система	система	элементами которой являются люди
Подсистема	часть системы	выделенная по функциональному признаку

Кстати деталь также является системой. Попробуем доказать это утверждение на примере колпачка простенькой шариковой авторучки.

Как говорилось раньше, система – комплекс взаимодействующих элементов, а элемент - часть системы, выделенная по функциональному признаку и неделимая в пределах рассмотрения.

 

Элемент	Функция
Планка прижима	Прижать элемент одежды к упору прижима
Упор прижима	Прижать элемент одежды к планке прижима
Корпус колпачка	Координировать элементы колпачка Защитить пишущий узел
Фиксатор колпачка	Закрепить колпачок на трубке корпуса
Донышко колпачка	Защитить пишущий узел

 

Перечисленные части колпачка, во-первых, выделены по функциональному признаку, а во-вторых, неделимы в пределах рассмотрения. Следовательно, могут быть названы элементами.

Рассматривая технологическую систему, следует выделять:

- главную полезную функцию, для выполнения которой она создана (используется);

- дополнительные (сервисные) функции, облегчающие  использование, хранение, транспортировку, обслуживание…

Для той же самой простенькой шариковой авторучки главная полезная функция – оставить след красителя…, а дополнительные – информировать об остатке красителя, закрепить авторучку на одежде, защитить окружающие предметы от загрязнения красителем…

Говоря о подсистеме (элементе) указывают основную функцию – для того же колпачка, если назначение авторучки писать, а не иное – защитить пишущий узел. Остальные – вспомогательные. Основная функция подсистемы (элемента) выбирается по степени близости к главной полезной функции системы в целом.

Процедуры выполнения элементного анализа достаточно подробно описаны в учебниках «Проектирование» и «Технологические системы», а также в пособии для учителя «Технологические системы и продукция.

Образец выполнения элементного анализа с указанием этапов работы и их подробным содержанием.

Изучая со школьниками этот раздел курса, следует выбирать для анализа простые и хорошо известные детям устройства, состоящие не более чем из десяти простых элементов. При наличии резерва времени, навыков применения информационных технологий, и заинтересованности учащихся итоговой работой может быть небольшая презентация отчета по проведению элементного анализа выбранных школьниками устройств. Не надо забывать, что совместное проведение элементного анализа такого простого объекта, как шариковая ручка потребует не менее одного астрономического часа чистого времени.

Элементный анализ бытового устройства.

Карта элементного анализа (Образец выполнения работы)

1. Наименование технологической системы:шариковая авторучка.

2. Функция:оставить след красителя на поверхности.

3. Назначение:писать.

4. Потребность (вариант):учиться.

6. Структура шариковой авторучки

 

 

 

7. Таблица: элемент, функция, свойство, материал и обоснование его выбора

№№ п/п	Элемент	Функции (свойства)	Материал
	Колпачок	Защитить шарик, пишущий узел, стержень от механических воздействий (прочность, стабильность формы) Защитить окружающие предметы от загрязнений красителем (непроницаемость для красителя, стабильность формы) Закрепить авторучку на одежде (прочность, стабильность формы)	Пластик Легкость и безотходность обработки Удобство вторичной переработки Гигиеничность
	Трубка корпуса	Закрепить стержень в корпусе (прочность, стабильность формы) Защитить стержень от механических воздействий (прочность, стабильность формы) Обеспечить удобство при письме (форма, хорошая органолептика) Предоставить информацию об остатке красителя (прозрачность)	Пластик Легкость и безотходность обработки Удобство вторичной переработки Гигиеничность Прозрачность
	Фиксатор	Закрепить стержень в корпусе (прочность, стабильность формы) Защитить стержень от механических воздействий (прочность, стабильность формы) Защитить окружающие предметы от загрязнений красителем (непроницаемость для красителя, стабильность формы)	Пластик Легкость и безотходность обработки Удобство для вторичной переработки Гигиеничность
	Трубка стержня	Хранить краситель (непроницаемость для красителя, стабильность формы) Фиксировать корпус пишущего узла (прочность, стабильность формы) Подвести, доставить краситель к корпусу пишущего узла (способность доставить краситель к корпусу пишущего узла) Информировать об остатке красителя (прозрачность)	Пластик Легкость и безотходность обработки Удобство для вторичной переработки Гигиеничность Прозрачность
	Корпус пишущего узла	Подвести, доставить краситель к шарику (способность доставить краситель к шарику) Удерживать шарик (прочность, стабильность формы) Фиксировать трубку стержня (прочность, стабильность формы)	Латунь Легкость обработки Коррозионная стойкость Малое трение со сталями Износостойкость
	Шарик	Перенести, доставить краситель на поверхность (способность перенести, доставить краситель на поверхность)	Высокопрочная нержавеющая сталь Износостойкость Малое трение с латунью Коррозионная стойкость

 

8. Подсистемы шариковой авторучки

Подсистема 1

«Корпус»

Элементы: колпачок, трубка корпуса и фиксатор.

Общая функция: защитить стержень от механических воздействий.

Подсистема 2

«Стержень»

Элементы: трубка стержня, корпус пишущего узла и шарик.

Общая функция: перенести, доставить краситель на поверхность

Подсистема 3

«Информатор»

Элементы: трубка корпуса и трубка стержня.

Общая функция: предоставить информацию об остатке красителя

 

Проектирование

Изучение любой темы следует начинать с обсуждения терминов, специфичных для данной области знаний. Их можно назвать также ключевыми словами. В совокупности эти ключевые слова образуют понятийную структуру рассматриваемой тематики.

Говоря о проектировании (разработке технического решения, описания, комплекта документации), следует заглянуть в историю термина, перечислить и обсудить со школьниками синонимы, принятые в русском языке.

Необходимо обратить внимание учащихся на особенности применения термина «дизайн». Традиционно мы привыкли использовать этот термин для обозначения внешнего вида изделия, однако в переводе с английского имеем – проектирование (корень слова французский проджект). В специальной литературе, переведенной с английского, встречается термин «дизайн-анализ» и ему подобные. И речь в этих текстах идет о проектировочном анализе информации, предшествующему формированию облика будущей разработки. Иногда специалисты называют этот этап работы «Анализ проектировочной ситуации» и проводят его на стадии, предшествующей составлению технического задания.

 

Для исключения многозначности толкования примем:

Проект – описание, необходимое для построения в заданных условиях еще не существующего объекта.

Соответственно проектирование – процесс создания проекта. То есть - процесс создания описания, необходимого для построения в заданных условиях еще не существующего объекта.

(См. Мегаэнциклопедию Кирилла и Мефодия http://mega.km.ru)

 

Рассматривая тему проектирование, ключевую тему курса 6-го класса, необходимо уделить особое внимание этапам проектирования, подробно рассмотреть со школьниками содержание каждого их них.

Мотивом любого действия человека является неудовлетворенная потребность (конкретное выражение нужды), возникающая как некая разность между желаемым (цель – желаемое состояние системы) и имеющимся, существующим (ситуация - существующее состояние системы).

Процедура выбора цели и есть формализация потребности.

Проще говоря, ответ на вопрос: - чем располагаю? – дает описание ситуации, а – что хочу? – цели (четкой формулировки потребности).

Далее необходимо выяснить: - что необходимо сделать для достижения этой цели (удовлетворения этой потребности)?

То есть, вопрос: - как …формулировка цели (потребности)…? – даст нам формулировку проблемы.

Например (фрагмент занятия).

Ситуация

Студеной зимой по мановению волшебной палочки вы перенеслись из теплой аудитории на улицу.

Уточнение потребности (выбор цели)

Есть варианты: закаляться, согреться и уж совсем трагичное – замерзнуть.

Выбранная потребность (цель)

Согреться. Выбор сделан, и вот теперь можно перейти к постановке проблемы.

Ее формулировка: - как согреться?

Ответы на этот вопрос дадут группу альтернатив, также имеющих в своей логической основе глагольную форму:

- побегать;

- одеться;

- зайти в помещение;

- найти, создать источник тепла (например, развести костер);

- выпить что-либо горячее, горячительное;

- …

Понятно, что список может быть продолжен. Но важно отметить следующее: нами сформулированы действия самого человека без или с использованием технологических систем. В данном случае речь идет о физиологическом (побегать) или технологических (все остальные) решениях проблемы.

Таким образом, обозначив функцию, мы можем перейти к выбору системы.

Предположим, принято решение одеться.

Начинается следующий этап: - что можно использовать, чтобы одеться?

Опять составляется максимально возможный перечень альтернатив, из которого необходимо в последствии осуществить выбор системы.

После того, как система выбрана, остается провести ее окончательное согласование, то есть выявить конкретные недостатки (нежелательные эффекты) и устранить их. Полученный результат явится окончательным решением.

При этом не следует забывать, что подобная деятельность постоянно расширяет наши знания о ситуации, происходит ее изменение со временем, меняемся и мы. Все это требует постоянного уточнения результатов уже проделанных этапов и требований к конечному результату проектирования. Другими словами – в проектировочном процессе возникает и активно функционирует обратная связь.

Одним из вариантов проектировочной деятельности является построение причинно-следственного графа (цепи). Для этого используют два простых вопроса: «Как?» и «Зачем?». Ответы на них позволяют формализовать последовательность выполнения этапов проектирования. При этом анализ может быть начат с любого этапа работы.

Применим подобный подход к предыдущему примеру.

Принято решение «одеться»

Как «одеться»?

В свитер, куртку, пальто, шубу…

Из полученного перечня систем (средств достижения цели) необходимо выбрать, например, «куртка».

Зачем «одеться»?

Чтобы согреться, примерить одежду, похвалиться обновкой, все так одеты…

Опять выбор: «согреться». Но теперь мы сформулировали потребность (цель).

Формально все вышесказанное может быть описано общей схемой проектирования.

Ситуация
выбор цели	Анализ ситуации, создание массива целей, упорядочение этого массива, выбор приоритетной цели.
цель
постановка проблемы	Анализ цели, выявление возможных средств отбор приоритетного, установление внешних ее достижения, функциональных требований к нему, то есть функций системы, позволяющей решить проблему - достичь поставленную цель. Другими словами - определяется система типа “черный ящик”.
проблема
выбор системы
выбор принципа действия	Выявление возможных способов осуществления необходимых функций, принципов действия реализующей их системы, отбор оптимального варианта
выбор конкретного воплощения	Выявление  возможных   конкретных  вариантов воплощения  системы, реализующей отобранный принцип действия и осуществляющей требуемые функции, отбор из их числа наилучшего
система с НЭ
снятие НЭ системы	Выявление нежелательных эффектов (недостатков), возникающих при внедрении и эксплуатации, структурирование НЭ и отбор ключевых. Постановка и решение задач по их снятию. Отбор приемлемых вариантов решения.
решение

 

Рассматривая стратегии проектирования, можно выделить два подхода:

- модернизация – изменение существующего объекта в части устранения выявленных недостатков (с точки зрения общей схемы проектирования – этап «система с нежелательным эффектом»);

- создание нового изделия (формально проектирование выполняется по общей схеме, начиная с анализа ситуации).

 

Системный подход, предметно-функциональные линии.

Разработка нового объекта (метод морфологического ящика)

Уровень 1 (обычно 5 класс)

Школьникам предлагается ответить на вопрос: - что есть у любого зверька? (из чего состоит любой зверек? и т.п.)

Традиционным ответом на подобный вопрос будет: голова, туловище, передние конечности и задние конечности.

После чего каждый учащийся должен заполнить следующую таблицу:

 

В целях экономии времени таблицу целесообразно заготовить на листе А4 (на весь лист в альбомном формате) заранее и раздать каждому школьнику.

Ячейки таблицы должны быть заполнены соответствующими рисунками: для каждой «части» необходимо выполнить по четыре отличающихся рисунка. При этом следует объяснить, что не следует использовать чужие идеи, так как это приведет к ухудшению конечного результата каждого участника, снизит занимательность всей игры в целом.

Заполненные таблицы собираются и возвращаются школьникам случайным образом («своей» таблицы никто получить не должен).

Далее учащимся предлагается случайная комбинация вариантов, например: А3-Б1-В4-Г2, покоторой, в соответствии с рисунками полученной таблицы, должен быть «составлен зверек». Для этого детям выдается чистый лист формата А4. К рисунку должен быть составлен пояснительный текст, содержащий: название породы получившегося «зверька», его имя (кличка) и подробное описание. Как вариант, возможно небольшое сочинение – «один день из жизни…».

 

Уровень 2 (обычно 5 класс)

Морфологический ящик для транспортных средств

	А  Двигатель	Б  Движитель	В  Опора	Г  Управление

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Уровень 3 (6 класс)

 

Морфологический ящик –«оригинальное бытовое устройство)

Как пример  

 

Защита проекта «Суперизмельчитель»

Список литературы

1. Дж.К.Джонса «Методы проектирования», Москва, Мир, 1986 год.
2. Титов В.В. «Системно-морфологический подход…» http://www.metodolog.ru/00039/00039.html.
3. Справочник по функционально-стоимостному анализу под редакцией М.Г. Карпунина и Б.И. Майданчика, Москва "Финансы и статистика", 1988.
4. Бронштейн Б.З. «Проектирование», ОРТ, Москва, 2004.

http://old.school.msk.ort.ru/home_p/bron/book_6.htm

5. Бронштейн Б.З., «Технологические системы и продукция», пособие для преподавателей, ОРТ, Москва, 2001.

http://old.school.msk.ort.ru/home_p/bron/book%2B.htm

6. Бронштейн Б.З., «Основы технического творчества», пособие для преподавателей, ОРТ, Москва, 1996.

http://old.school.msk.ort.ru/home_p/bron/ott.htm