VÝCHOVA STUDENTŮ K TVŮRČÍMU TECHICKÉMU MYŠLENÍ

Transkript

1 VÝCHOVA STUDENTŮ K TVŮRČÍMU TECHICKÉMU MYŠLENÍ Jirman Pavel Úvod Studenti pátých ročníků technické vysoké školy mají za sebou většinu předmětů a měli by umět řešit technické problémy praxe. Přesto jejich první větší problém zadaný v konstrukčním projektu nebo diplomové práci je úkol, který řeší dosti obtížně. Většinou je výsledek dosažen standardními postupy v rámci jejich znalostí daného oboru. V předmětu teorie tvůrčí práce, přednášené pro 5. ročník katedry sklářských a keramických strojů a další katedry, fakulty strojní,technické univerzity v Liberci, se studenti setkávají s metodami tvůrčího myšlení, které umožňují překonat stávající stereotypy. Seznamují se s metodou Tvorba a řešení inovačních zadání (TRIZ), kde začínají pracovat s kategoriemi technický systém, zákonitosti rozvoje technických systémů, technický a fyzikální rozpor, ideální řešení atd. Při aplikacích v zadání konstrukčního projektu a na rozpracované diplomové práci si mohou ověřit tyto metody, sledovat jiné možnosti řešení a v řadě případů navrhnout nové koncepce zjednodušených řešení. To přináší studentům uvědomění si vlastní možnosti tvořit.k výuce jsou připraveny metodické podklady [1], [2], [3]. V tomto článku jsou ukázány základní prvky metody TRIZ a jejich použití na několika příkladech studentů při řešení konstrukčních projektů a diplomových prácí v oboru sklářských a keramických strojů. Metody tvůrčího myšlení Existují různé metody a metodiky pro výuku tvořivosti ze starších dob např. Brainstorming, Synektika, Morfologická analýza atd. Tyto metody však nejsou schopny postihnout celou šíři řešení současných technických problémů a jejich použití ve výuce tvořivosti je nedostatečné. Proto pro studijní technický program byla vybrána komplexní metoda technické tvořivosti TRIZ a HA, která v současné době získává nejširší uplatnění a vzbuzuje zájem nejsilnějších inovačních firem celého světa. Tato metoda je v souladu s moderními trendy uplatňování počítačové podpory, která mnohonásobně urychluje přístup k informacím dříve těžko dosažitelným. Metoda TRIZ Rozborem světového patentového fondu a známých vědeckých efektů (fyziky, chemie a geometrie) byly Henrichem Altšulerem (Baku) nalezeny zákonitosti rozvoje technických systémů (ZRTS). Tyto zákonitosti jsou poznatelné a využitelné pro řešení problémů, což je základní postulát TRIZ Teorie Řešení Inovačních Zadání. Nově se používá též zkratka TRTS Teorie Rozvoje Technických Systémů. V této metodice se nehledají podle původních postupů jen jiná lepší řešení, ale definují se rozpory problému (technické, fyzikální), přičemž jejich překonání vede ke kvalitativně novému řešení. K pochopení problému se v rámci hodnotové analýzy (HA) definuje technický systém (TS) jako sestava prvků určená k plnění užitečné funkce s novou kvalitou. Správnost orientace řešení určuje princip ideálnosti, kdy technický systém dosahuje plnění funkce s minimálními (ideálně žádnými) náklady, přičemž pro plnění funkce jsou využity veškeré vlastní zdroje technického systému.

2 Definice prvků TRIZ: Technický systém (TS) soubor uspořádaných a propojených prvků, mající vlastnosti nad rámec prostého součtu vlastností jednotlivých prvků, určený k plnění zadaných funkcí. Např. funkci lisovacího stroje na skleněné výrobky nemá žádný jednotlivý prvek systému - forma, ovládání, mechanizmy, podávání atd. Technický rozpor (TR) zlepšení jedné části (jednoho ukazatele) TS pomocí obvyklých způsobů vede ke zhoršení jiné části (jiného ukazatele) TS. Např. zlepšení funkce stavitelnosti formy pomocí mechanizmu orientace vede ke zvýšení složitosti. Odstranění TR lze použitím heuristických principů eliminace TR. Fyzikální rozpor (FR) část TS musí být v určitém stavu, aby vyhovovala jednomu požadavku úlohy a současně se musí nacházet v opačném stavu, aby splnila jiný požadavek dané úlohy. Např. stavitelný prvek musí být tuhý aby zajišťoval pevnost spojení a zároveň musí být poddajný, aby ho bylo možné lehce změnit. FR rozpor je fyzikální podstatou TR. FR lze odstranit jednoduchými transformacemi rozdělením v prostoru, čase nebo struktuře (změnou fáze). Ideální řešení (IŘ) splnění požadované funkce je dosaženo s minimálními (ideálně žádnými) náklady. TS je minimalizován (ideálně neexistuje) Toho lze dosáhnout úplným využitím vnitřních zdrojů látek a polí zkoumaného TS. Např. TS si zajistí nastavení SÁM. VEPOLová analýza (VA) každý problém v TS lze převést na model (VEPOL), složený minimálně ze dvou látek ( (z ruštiny VEščestva) a jednoho pole (POLe) - nástroj, výrobek a energie vzájemného působení. Chybí-li jeden prvek, nepracuje TS efektivně. Rozvoj TS postupuje cestou zvyšování počtu vazeb mezi prvky. Např. pevné spojení se vlivem působení tepelného pole může změnit na tekuté, které je lépe přizpůsobitelné. Přehled zákonitostí rozvoje technických systémů (ZRTS): Zákonitosti úplnosti částí TS, zákonitosti energetické průchodnosti TS, zákonitosti souladu rytmu činnosti TS, zákonitosti zvyšování dynamičnosti TS, zákonitosti zvyšování stupně vepolnosti TS, zákonitosti nerovnoměrnosti rozvoje částí TS, zákonitosti přechodu TS z makro na mikroúroveň, zákonitosti přechodu TS do nadsystému, zákonitosti zvyšování stupně ideálnosti TS, zákonitosti vytěsňování člověka z TS. Výuka a příklady studentů řešené použitím metod tvořivosti Ve výuce metod tvořivosti se studenti seznamují s definováním TS, definováním rozporů a hledáním cest překonání rozporů ve směru ideálnosti. Pomůckou je použití VEPOLové analýzy při překonávání rozporů. Jsou hledány souvislosti se ZRTS. Je málo technických problémů, které není možné řešit pomocí TRIZ. Některé problémy jsou více či méně obtížné. Avšak TRIZ nabízí obecně použitelné metodické postupy řešení pro většinu technických problémů. Důležitým krokem pro studenta je pěstování schopnosti jasně stanovit zadání a definovat jasnou technickou úlohu. Problémy, které jsou na počátku formulovány do jisté míry netechnicky (např. snížení nákladů) je nutno přeformulovat do technického zadání (jaká funkce musí být splněna při snížení nákladů). Na příkladech dále jsou uvedena řešení studentů v původní koncepci s použitím standardních postupů (a) a v nové koncepci (b), (c) navržená použitím metody TRIZ. Příklad 1. Nabírání skloviny píšťalou z pánve (KP, 1993) Při nabírání skloviny vzniká často problém dobrání zbytku skloviny do dna, neboť vstup do pece je omezen viz. Obr. 1a. Standardními postupy byla navržena různá řešení např. snížení pánve, změna otvorů atd., která jsou však technicky nereálná, zvyšují náklady nebo jsou neefektivní. Pro lepší pochopení zadání je nutné popsat TS a jeho rozpory.

3 TS se skládá z pánve, skloviny a píšťaly. Jeho funkcí je nabírání skloviny. Parametrem nabrání je míra dobrání do dna. Definice TR v zadaném TS je následující: TR Pro dobrání pánve lze navrhnout píšťalu s kloubem, což však velmi komplikuje realizaci TS (konstrukce, cena atd.). IŘ Píšťalu je nutné zachovat, ale sklovinu do dna dobrat. Sám systém musí zajistit dobrání do dna. Slovo SÁM vede ke sledování směru ideálnosti. Při minimálních změnách TS (ideálně bez ničeho) dosáhnout splnění funkce. Je nutné využít zdroje systému, které jsou k dispozici. K dosažení ideálnosti se zesiluje rozpor kladený na určitou část systému. FR Přední stěna pánve bránící dobrání musí být (existovat), aby nevytekla sklovina z plné pánve a nesmí být (neexistovat), aby bylo možné sklovinu dobrat do dna. Tato definice, i když na první pohled je absurdní, umožňuje lépe pochopit problém a hledat nejjednodušší řešení. Rozpor lze překonat jednoduchou transformací. V čase plné pánve stěna musí být stěna svislá, aby sklovina nevytekla, v čase dobírání pánve stěna musí být skloněná, aby mohla píšťala dosáhnout na dno, přičemž nižší obsah skloviny při skloněné stěně nevyteče. Řešením je naklopení pánve. Aby však toto naklopení provedl systém SÁM, musí toto naklopení provést prvek nacházející se v TS. Tento prvek TS se musí v čase měnit. Měnící prvek TS provede naklopení SÁM. Tento prvek je měnící se stav skloviny. Koncepce řešení viz. Obr. 1b. Těžiště T1 plné pánve 1 se nachází před hranou zkosení pánve. Snížením obsahu skloviny se těžiště T2 přesune za hranu zkosení a způsobí naklopení pánve do polohy 2. Prázdná pánev je stabilní v poloze 2. Toho lze dosáhnout např. zvýšením hmotnosti stěny pánve směrem k nabíracímu otvoru. Tím se zpřístupní zbytek skloviny pro dobrání píšťalou. Toto řešení naplňuje zákonitost zvyšování stupně ideálnosti TS, kdy dosažení funkce (dobrání skloviny do dna) je dosaženo téměř bez ničeho. Z praxe je znám problém přilepení dna pánve ke dnu pece, to je však předmětem jiného řešení. Obr. 1a Obr. 1b Příklad 2. Posun sklenic ke středění na otočném stolku zapalovacího stroje [4] Hledání vhodného materiálu pro povrch otočného stolku kompromisem mezi hladkou plochou (malé tření) a drsnou plochou (sklenice nekloužou) je standardní řešení (grafit) viz 3a.. Dovedením problému do FR se úloha stává vyhraněnější. FR Povrch musí být v okamžiku posunu hladký, aby bylo minimální tření a musí být drsný aby sklenice neklouzala. Vzniká konfliktní dvojice povrch stolku a dno sklenice. Povrch stolu (L1) nedostatečně nebo škodlivě působí na dno sklenice (L2). VEPOLová analýza napovídá, že chybí pole k funkci minimálního systému. Doplněním pole (P) např. vzduchového, získáme ovladatelný systém viz Obr. 2.

4 Obr. 2. Vzduchové pole může být tlakové (drsnost se při posuvu snižuje) viz Obr.3b nebo podtlakové (sklenice neklouže) viz Obr. 3c. Odpadá řešení stability při přesouvání, systém je dynamičtější, přizpůsobitelný vnějším podmínkám. Při minimálním tření a vhodné geometrii prohnutí stolu by se teoreticky mohla sklenice vystředit sama sklouznutím do středu. Obr. 3a Obr. 3b Obr. 3c Příklad 3. Omílání skleněných kuliček v bubnu (KP, 1992) Skleněné kuličky při omílání padají na plášť omílacího bubnu a tím ho poškozují viz Obr.5a. TR - Pro zvýšení životnosti lze použít zvýšení tloušťky pláště, různých vystýlek atd., to však vede ke zvýšení nákladů. IŘ Systém si zabezpečí ochranu pláště sám. Zdrojem mohou být skleněné kuličky. FR Stěna musí být tlustá, aby se zvýšila životnost a musí být tenká, aby se náklady nezměnily. Překonání tohoto rozporu naznačuje vzorec VEPOLové analýzy při rozvoji do komplexního VEPOLu viz. Obr. 4. Původní VEPOL mechanické pole otáčení bubnu (P1) pohybuje skleněnými kuličkami (L1), které poškozují plášť bubnu (L2). Pro odstranění poškození pláště je nutné najít prostředníka, který poškození zamezí. Nejlépe, když se prostředník nachází již v TS. K tomu se nabízí skleněné kuličky. Nový VEPOL Je třeba nalézt pole (P2), které zadrží část kuliček (L1 ). Zadržené kuličky (L1 ) zabrání poškozování pláště bubnu (L2) kuličkami (L1). Obr. 4. Řešením je vložení sítě (příček) s mezerami odpovídajícími násobku velikosti skleněných kuliček. Tyto kuličky jsou zadrženy třením a k opotřebení dochází jen mezi nimi - viz Obr. 5b. Zvýšení životnosti pláště je řádové.

5 Toto řešení je naplnění zákonitosti zvyšování stupně vepolnosti TS. Obecný závěr z tohoto řešení pro praxi: dochází-li k opotřebení jedné části TS je nutné ji ochránit látkou z TS, které se v něm nachází nekonečně mnoho (je tam neustále přiváděna) Obr. 5.a. Obr. 5.b Příklad 4. Seřízení při výměně kapliků [5] TR Pro zlepšení funkce seřizování při výměně kapliků je zaveden systém seřizovacích šroubů, což vede ke zvýšení složitosti viz. Obr. 6a. IŘ Sám systém kapliků zajistí seřízení. Hledá se zdroj v systému kapliků, který by to umožnil. Zdrojem může být druhý kaplik. FR Část systému ovládání jednoho razník musí být pohyblivá, aby byl razník nastavitelný a současně musí být nepohyblivá, aby razník držel polohu bez zvýšení složitosti systému. Pohyblivost a nepohyblivost lze zaměnit s tekutostí a tuhostí. Řešením je použití změny fáze látky působením teplotního pole. Jeden razník je umístěn do objímky s tavitelnou látkou. Zavedením teplotního pole je razník uvolněn, orientován přes vzor podle druhého razníku a v té pozici vypnutím teplotního pole zafixován viz Obr.6b. Teplotní pole lze též využít ze systému. Vypnutím chlazení se razník ohřeje od skloviny a roztaví látku, po orientaci zapnutím chlazení látka ztuhne. Nahrazením mechanické síly teplotním polem při seřizování odpovídá zákonitosti dynamizace, tj. záměnou lépe ovladatelným polem, přičemž razník při nastavení má více stupňů volnosti. Z původního řešení odpadá několik dílů a šroubů. TS se zjednodušuje. V případě vodorovného uspořádání (např.maturovo mačkadlo), lze tavitelnou látku s magnetickými vlastnostmi udržet v kelímku magnetickým polem viz. Obr. 6c. Obr. 6a Obr. 6b Obr. 6c

6 Podpora technické tvořivosti programem TechOptimizer. Pro studenty je k disposici program TechOptimizer verze 3.5 firmy Invention Machine Corporation [6], který představuje znalostní databázi (expertní systém) metody TRIZ. Rozborem úlohy jsou získávány prvky TRIZ jako TR, FR, model problému (VA), ke kterým předkládá program doporučení jak v obecné podobě a tak v podobě konkrétních příkladů. Tyto příklady jsou z různých oblastí techniky a slouží ke studiu toho, jak ona doporučení byla úspěšně použita a dosažené řešení patentováno. To jak student dokáže aplikovat získané doporučení na vyřešení svého konkrétního problému záleží na jeho schopnosti tvůrčího myšlení. Program není místo myšlení, ale nástroj k zacílení a koncentrování myšlení při analýze a následně podněcování a inspirování syntetického tvůrčího myšlení. Shrnutí výuky a hodnocení výsledků řešení studentů Výuka je prováděna formou přednášek a cvičení. Přednášky jsou vedeny jednoznačně formou problémové výuky, tj. po krátkých teoretických výkladech jsou zařazovány příklady, resp. na příkladech jsou představeny některé prvky teorie. To klade velké nároky na přípravu vhodných příkladů. Je dobré používat příklady z vlastní praxe. To jsou příklady, o kterých vyučující nejvíce ví a těžko se nechá zaskočit nějakou otázkou, o které nebývá ve tvůrčí atmosféře nouze. Je dobré též používat příklady z nejbližšího okolí člověka a ze situací kolem užívání předmětů, s nimiž běžně přichází do styku (klíče, brýle, teploměr atd.). Osvědčilo se při výuce metod tvořivosti soustředit na několik podstatných prvků metody tvořivosti, které nejvíce mění tradiční myšlení a tyto prvky neustále opakovat a prohlubovat různými příklady. V metodě TRIZ to jsou především prvky TS, ZRTS, TR, IŘ, FR a VA tak, jak bylo ukázáno v tomto příspěvku. Použití programu podpory technické tvořivosti TechOptimizer studenty zajímá a dovedou ho velmi rychle ovládat. Problémem může být jazyková bariera program je jen v anglické verzi. Ve cvičeních jsou probírány na zkoušku školní příklady, ale s postupem času se osvědčilo přejít na problémy praxe, se kterou jsou studenti nejlépe seznámeni z konkrétního konstrukčního projektu, nebo vlastní diplomové práce. Ne vždy se daří najít vhodný praktický příklad, aby každý student poznal sám na sobě tvůrčí okamžik, kdy se před ním objevilo nové řešení na určité vyšší technické úrovni, než se kterou se setkal doposud. Z druhé strany, ne všichni studenti jsou připraveni a ochotni věnovat dostatek času, aby takový tvůrčí okamžik zažili. Za více jak 10 let výuky technického tvůrčího myšlení jsme si ověřili, že jen cca 20% studentů je schopno dojít k novým netradičním technickým řešením. Největší tvůrčí čin pro studenta je poznání vlastních možností tvořit, což je hlavní cíl výchovy k tvůrčímu technickému myšlení. Teprve až se ze studenta stane inženýr, konstruktér, technolog a řeší konkrétní složité problémy v praxi, začne chápat potřebu metodik tvůrčího řešení, které by mu to ulehčily. Pak se řada inženýrů vrací na katedru k nalezení odpovědi. A katedra jim pomůže.

7 Literatura: [1] BUŠOV, B., JIRMAN, P., DOSTÁL, V.: Tvorba a řešení inovačních zadání (HA + ARIZ), Studijní texty pro střední a VŠ technické, Brno, Liberec, 1996 [2] JIRMAN, P. a kol: Výuka technické tvořivosti s podporou počítače na vysokých školách, Grant FRČR č. 1110, TU Liberec 1997 [3] BUŠOV, B. a kol: Rozvoj tvůrčího potenciálu studentů, učitelů a inženýrů pomocí metodiky TRIZ, projekt KONTAKT ME , Brno, 2002 [5] PŘICHYSTAL, J. (Jaroslav): Zařízení pro středění sklenic v pracovních pozicích zapalovacího stroje, Diplomová práce, KSK TU Liberec, 1999 [4] MÜLLER, R. (Robert): Zvýšení přesnosti drobných výlisků, Diplomová práce, KSK TU Liberec, 2000 [6] TechOptimizer 3.5, Program znalostní databáze, Invention Machine Corporation, Boston, 2000 Anotace: Efektivnost práce inženýra závisí nejen na jeho odborných vědomostech, ale stále více bude záviset na jeho metodologické výbavě a na schopnostech tvořit. Technickou tvořivost je však nutné trénovat tak, jako se již dávno trénují umělecké vlohy. Tréninkem technické tvořivosti lze pozvednout průměrně dosahované výsledky řešení na nadprůměrné a nadprůměrné na vynikající. Proto jsou do výuky studentů zaváděny předměty výchovy tvůrčího technického myšlení jako příprava pro tvůrčí řešení technických problémů vznikajících v praxi nebo vyplývajících z vědeckovýzkumné činnosti. Rozvoj tvůrčího technického myšlení studentů dává předpoklad větší adaptability při nástupu do praxe. Současnou nejucelenější metodou výuku je metoda TRIZ, který je rozšířen na řadě škol a pracovišť v celém světě. V České republice je tato metoda vyučována na TU Liberec a VUT Brno. Summary: EDUCATION OF STUDENTS TO THE CREATIVE TECHNICAL THINKING The efficiency of an engineer s work depends not only on his particular knowledge of his specific field, but also it will depend more on his methodological capacity and ability to think creatively. However, the technical creativity has to be trained as well as artists train their special abilities. By training of technical creativity the average results can be improved to over-average and over-average results can be improved to excellent ones. Thus the courses of creative technical thinking are being introduced into the process of education as a preparation for creative solution of technical problems that arise in the course of professional life or imply from research and development. The development of creative technical thinking prepares the students better for professional caries. Currently, TRIZ is the most complete method of education in this field, which is also being trained on many schools and research facilities around the world. Within the Czech Republic this method is being taught at TU Liberec and VUT Brno. Ing. Pavel Jirman, U Rybníka 11, Jablonec n.n., Česká rep., jirman@glass.cz