ТРИЗ в практической электронике – кратчайший путь к инновациям.

Ермолов К. А.

Манойлов В. В.

ГБУ ДО ДДТ Красносельского района,

Санкт-Петербург, Россия,

2018 год.

 

Наступивший XXI век можно по праву назвать веком глобальных изобретений в областях электроники и информационных технологий, так как невозможно найти отрасль народного хозяйства, в которой они бы не применялись. В связи с этим особую важность приобретает задача подготовки подрастающего поколения к освоению инженерно-технических компетенций, развития у современных детей инженерного мышления, конструкторских и изобретательских способностей.

Данную задачу успешно решает образовательная программа «ТРИЗ в практической электронике», реализуемая в ГБУ ДО ДДТ Красносельского района.

Специфической особенностью технического творчества является возможность получения ребенком конкретного наглядного результата (продукта) обучения, что создает ситуацию успеха, которая особенно важна для учащегося в подростковом возрасте. В ходе обучения учащиеся вовлекаются в процесс трудовой деятельности, близкой по характеру и содержанию труду взрослых, что позволяет получить удовлетворение результатами своей работы.

Особое значение приобретают занятия детей и подростков техническим творчеством в современном обществе, которое испытывает острую потребность в высококвалифицированных специалистах в области инженерии, конструирования, программирования. Поэтому ориентация программы «ТРИЗ в практической электронике» на раннее развитие у детей и подростков инженерно-конструкторского мышления, реализацию их творческих, познавательных и коммуникативных потребностей обуславливает ее актуальность для системы образования и перспективного социально-экономического развития страны.

Входящий в данную образовательную программу курс ТРИЗ (Теория решения изобретательских задач) позволяет проводить детальный анализ имеющихся схем и систем в области классической электроники и современных цифровых технологий, находить в них недостатки и противоречия, устранять их и создавать новые, усовершенствованные устройства.

С  помощью ТРИЗ уже созданы сотни и тысячи высокоэффективных изобретений. Многие положения ТРИЗ не заменяет творческих способностей человека, а только организует и повышает эффективность использования имеющихся знаний.

Структура программы.

Программа состоит из трех больших пересекающихся между собой блоков:

·                  Основы электроники. Этот блок позволяет учащимся приобрести знания в области классической и современной электроники, понять принципы работы различных электронных компонентов и состоящих из них схем.

·                  ТРИЗ. В этом блоке учащиеся изучают основы классической ТРИЗ и решают изобретательские задачи из различных областей техники. Также воспитанники объединения применяют полученные знания их ТРИЗ для усовершенствования собранных ими электронных изделий.

·                   Компьютерные информационные технологии. Благодаря этому блоку учащиеся узнают принципы работы компьютера на уровне микросхем, интерфейсов и команд процессора. Большое внимание уделяется основам программирования на языках высокого и низкого уровней.

Структура проведения занятий по программе:

Структура проведения занятий включает 7 основных частей:

1.   Активация творческого воображения с помощью различных методов РТВ.

2.   изучение теории и практики ТРИЗ. Проводится в форме беседы с записями основных правил, приемов разрешения технических противоречий, решения изобретательских задач по различным разделам техники.

3.   изучение раздела электроники в соответствии с тематическим планом программы. Сначала педагог кратко излагает суть материала, затем учащиеся делают необходимые записи из учебника, рисуют принципиальную схему будущего электронного устройства с перечнем элементов.

4.   Сборка устройства с помощью паяльника.

5.   Проверка работоспособности.

6.   Выявление недостатков устройства.

7.   Устранение недостатков с помощью приемов ТРИЗ. На этом этапе учащиеся применяя инструментарий ТРИЗ, находят идеи для усовершенствования изученного и собранного устройства. Часто, для того, чтобы воплотить эти идеи, необходимо изучить новую тему по электронике. В результате на следующем занятии педагог переходит на пункт 2, и процесс повторяется по спирали:

Активация творческого воображения осуществляется с помощью таких методов, как метод фокальных объектов, метод Робинзона Крузо, метод Золотой рыбки, метод Синектики и др.

В качестве примера рассмотрим усовершенствование часов методом фокальных объектов. Учащиеся выбирают три случайных предмета, пишут их свойства и применяют к часам:

Часы

            Дым

Обои

Жидкость

Вонючий

Бумажные

Едкая

Густой

Моющиеся

Вязкая

Едкий

Самоклеящиеся

Прозрачная

Ядовитый

Шумопоглощяющие

Горючая

В результате получаются часы, выделяющие различные запахи в зависимости от времени суток, в том числе едкий запах, если возникает какая-либо опасность. Часы ядовиты для вредителей и тараканов. Материал часов состоит из густой жидкости, благодаря чему часы могут менять форму. Часы легко мыть, они водонепроницаемые. Часы с липким покрытием, благодаря чему они легко крепятся в любом месте. В часы встроен микрофон, усилитель и динамик, который издает звук в противофазе по отношению к имеющимся в комнате звуковым волнам, благодаря чему часы подавляют шум. Корпус часов прозрачный. Часы выделяют жидкость, которая воспламеняется и горит холодным пламенем, поэтому часы видны в темноте.

 Затем учащиеся переходят к изучению основ ТРИЗ. На первом этапе реализации программы изучаются такие понятия, как административное, техническое и физическое противоречия, изделие и инструмент, вещественно-полевые ресурсы, идеальный конечных результат, Х-элемент и другие.

Одной из тем, изучаемых по данной образовательной программе, является тема «Переговорное устройство на транзисторах». Сначала учащиеся собирают простейший усилитель на одном транзисторе, затем находят его недостатки, разрешают их с помощью элементов ТРИЗ, постепенно усовершенствуют его и увеличивают функциональность.

В результате из простого каскада усиления на одном транзисторе, учащиеся получили двунаправленное громкоговорящее переговорное устройство с вызовом

Полный процесс преобразования переговорного устройства можно найти здесь.

На втором этапе реализации программы учащиеся изучают другие инструменты ТРИЗ в том числе шаги АРИЗ. Рассмотрим, как с помощью шагов АРИЗ на наших занятиях усовершенствуется детекторный приемник.

Сначала педагог объясняет устройство и принцип работы детекторного приемника и предлагает учащимся собрать его. Учащиеся собирают его и обнаруживают, что для того, чтобы этот приемник принимал радиостанции, необходима очень длинная антенна, что очень неудобно. Педагог просит учащихся решить данную проблему.

http://etriz.ru/Chapters/TRIZ/detpr.files/image001.jpg

 

1.     Анализ задачи.

1.1  Дана ТС (техническая система) для преобразования мощных радиосигналов в звук, состоящая из детекторного приёмника и мощных радиосигналов.  В свою очередь радиоприёмник состоит из антенны с длинным проводом, детекторного каскада, телефонного капсюля и колебательного контура.

ТП1: Детекторный приёмник, состоящий из антенны с длинным проводом преобразует мощные радиосигналы в звук, но при этом увеличивает расходы на изготовление антенны.

ТП2: Детекторный приёмник, состоящий из антенны с коротким проводом не преобразует мощные радиосигналы в звук, но при этом не увеличивает расходы на изготовление антенны.

Необходимо при минимальных изменениях в системе преобразовать мощные радиосигналы в звук, но при этом не увеличить расходы на изготовление антенны.

1.2  Изделие: мощные радиосигналы.

Инструмент: детекторный приёмник (ДП).

Какое главное действие совершает детекторный приёмник? Преобразует мощные радиосигналы в звук. По определению это – ГЛАВНАЯ ФУНКЦИЯ. Какая функция нежелательна?  Увеличивать расходы на изготовление антенны. А необходимо? Не увеличивать расходы.

Не увеличить расходы на изготовление антенны – дополнительная функция, которую мы хотели бы реализовать.

 

1.3   

http://etriz.ru/Chapters/TRIZ/detpr.files/image002.jpg

 

1.4  Главный производственный процесс (ГПП): преобразовать мощные радиосигналы в звук с антенной из короткого провода.

Решаем мини-задачу.

1.5  Усиление ТП1: Антенна стала ещё длинней: мощные радиосигналы гарантированно будут преобразованы в звук, но при этом расходы на изготовление антенны значительно увеличатся и отпадёт необходимость передавать радиосигнал по эфиру. Уже можно передать по проводам.

Усиление ТП2: Антенна стала ещё короче, превратилась просто в контакт: мощные радиосигналы гарантированно не будут преобразованы в звук, но при этом расходы на изготовление антенны нулевые.

1.6  Дано: ДП, состоящий из антенны с коротким проводом; мощные радиосигналы.

Детекторный приёмник с коротким антенным проводом не преобразует слабые радиосигналы в звук, но при этом не увеличивает расходы на изготовление антенны. Найти Х-элемент, который должен обеспечить преобразование мощных радиосигналов в звук и не увеличивать расходы на изготовление антенны.

1.7  По стандарту 1.1.1, который гласит: дан объект, плохо поддающийся нужным изменениям, и условия задачи не содержат ограничений на введение веществ и полей, задачу решают синтезом веполя, вводя недостающие элементы.

В нашем случае ДП, с коротким проводом, который работает за счёт электромагнитной энергии радиоволн, наводя электрическую составляющую в антенном проводе, который очень мал, а магнитную в катушке индуктивности колебательного контура ДП. Значит, необходимо каким-то образом усилить слабый радиосигнал на выходе колебательного контура и, естественно, на входе телефонного капсюля, мембрану которого не может расшатать слабый низкочастотный сигнал, выделенный детекторным каскадом.

Чтобы усилить магнитную составляющую электромагнитной радиоволны, необходимо в катушку индуктивности (накопитель магнитной энергии) ввести вещество, которое позволит реализовать нашу потребность. Это вещество – феррит.

Если В1 – детекторный приёмник, П1 – мощные радиосигналы, В2 – ферритовый стержень, тогда решение задачи с помощью веполей выглядит следующим образом:

http://etriz.ru/Chapters/TRIZ/detpr.files/image003.jpg

 

Изучив, основы классической ТРИЗ, учащиеся приобретают системное мышление и могут анализировать техническую систему в пространстве и времени. Рассматривая эволюцию технических систем от далекого прошлого до настоящего, наши воспитанники могут дать прогноз развития системы, ее подсистем и надсистем в будущем.

Приведем пример анализа технической системы «Автомобиль»:

Далёкое прошлое

прошлое

настоящее

будущее

далёкое будущее

НС

грунтовая дорога (естественное природное покрытие)

дорога с каменным покрытием (в качестве покрытия – природный материал)

дорога с асфальтовым покрытием (модифицированный природный материал)

лёгкое, дешёвое синтетическое покрытие (полностью синтетический материал)

Дороги не нужны

ТС

Лошадь + карета

Паровоз

Автомобиль

Электромобиль

Аэромобиль

ПС1

Животное

паровой двигатель

двигатель внутреннего сгорания

электродвигатель

полевой двигатель

ПС2

Копыто и деревянное колесо (полностью природный материал)

металлическое колесо (модифицированный природный материал)

колесо (модифицированный природный материал + синтетический материал)

Колесо (лёгкий прочный синтетический материал)

колесо не требуется

ПС3

Непосредственная передача от мышц к ногам животного

Пластины передают движение от поршней к колёсам

трансмиссия (система шестерён и валов)

Непосредственная передача от двигателя к колесу

Дистанционная передача  за счёт взаимодействия полей

ПС4

Деревянный корпус кареты (природный материал)

Металлический корпус (модифицированный природный материал)

Кузов автомобиля (модифицированный природный материал + синтетический материал)

Пластиковый корпус (полностью синтетический материал)

Сверхлёгкий пластиковый корпус (принципиально новый материал)

ПС5

Органические продукты для питания животного (природный материал. большие молекулярные структуры)

Уголь (твёрдое природное вещество. Полимерная структура)

Бензин, спирт, водород (модифицированное природное вещество. Небольшие молекулы)

Электричество. (получают искусственно. Субмолекулярные структуры)

Поле. (генерируется искусственно. Субатомные структуры)

ПС6

Человек + инстинкт животного

Человек

Человек. Часть функций управления выполняет компьютер

Человек. Большинство функций управления выполняет компьютер.

Транспортным средством управляет компьютер

ТС – Автомобиль;  ПС1 – двигатель; ПС2 – колесо;  ПС3 – трансмиссия;  ПС4 – кузов;  ПС5 – топливо;  ПС6 – система управления;  НС – дорога, по которой движутся автомобили.

Вывод из СО: при развитии систем всех уровней происходит плавный переход от природных материалов к синтетическим. Развитие топлива идёт по пути уменьшения минимальной структурной единицы:  система органический макромолекул (пища для животного), полимер (уголь, дрова), лёгкие молекулы (бензин, спирт, водород), субмолекулярные структуры (ионы), субатомные структуры (электроны, плазма, различные поля). Человек постепенно отстраняется от управления транспортным средством.

Другой пример использования Системного Оператора – анилиз системы для поддержания комфортных условий в доме:

 

Далекое прошлое

Прошлое

Ближайшее прошлое

Настоящее

Будущее

Надсистема:  Средство поддержания комфорта

Природные явления

Природные явления, технические сооружения.

Природные явления, технические сооружения.

Природные явления. Системы контроля микроклимата. Умный дом.

Умный дом. Умный квартал. Умный город.

Система 1: Нагрев

Солнце. Костер.

Печь, Солнце.

Система центрального отопления.

Система центрального отопления. Локальная система отопления. Индивидуальные обогреватели.

Локальная система обогрева. Тепловой насос. Передача тепла из окружающей среды.

Система 2: Охлаждение

Ветер. Воздух.

Открытое окно или дверь. Холодная вода из реки или колодца.

Открытое окно, холодная вода.

Открытое окно. Кондиционер.

Тепловой насос. Передача лишнего тепла в окружающую среду.

Система 3: Пробуждение

Солнце. Животные.

Солнце. Животные.

Солнце. Животные. Будильник.

Солнце. Будильник.

Будильник, имитирующий природные явления: рассвет, крики животных.

Система 4: Поддержание здоровья

Природные явления и процессы.

Природные явления и процессы.

Природные явления и процессы.

Различные приборы для увлажнения, ионизации, озонирования, очистки воздуха

Различные приборы для увлажнения, ионизации, озонирования, очистки воздуха, работающие в автоматическом режиме.

Подсистема: Источник энергии

Солнце. Дрова. Ветер.

Дрова, ветер, солнце.

Твердое топливо. Электричество.

Газообразное и жидкое топливо. Электричество.

Электричество. Природные источники энергии.

 

Выводы из СО:

Если рассматривать все уровни систем для поддержания комфортных условий в помещении во времени, то видно следующее:

Вначале использовались только природные явления или источники. Затем происходил постепенный переход от природных явлений и источников к искусственным, появлялись новые технические системы. Однако, с настоящего момента происходит постепенное возвращение к применению природных явлений или их имитация, а также к использованию природных источников энергии.

Успешно решать изобретательские задачи помогает программа ТРИЗ калькулятор. В нее заложен упрощенный алгоритм решения изобретательских задач, система выбора приема разрешения технических противоречий, физические эффекты, стандарты, редактор веполей, приемы разрешения противоречий:

p005

p006

p017

 

На основе приобретенного за последнее десятилетие успешного опыта применения ТРИЗ в обучении электронике и информатике нами разрабатывается новая образовательная программа: «ТРИЗ в практической электронике - от детекторного приемника к роботам», рассчитанная на 4 года обучения.

Выводы:

Благодаря интеграции электроники, ТРИЗ и информатики, наши учащиеся могут более уверенно себя чувствовать в мире электроники. Изучая основы ТРИЗ и применяя ее при изготовлении электронных устройств, наши воспитанники сначала повторяют изобретения прошлого и настоящего. Таким образом путь, который прошли различные изобретатели в течение десятилетий, наши учащиеся повторяют за несколько занятий. Благодаря системному мышлению и знанию законов развития технических систем, ученики могут увидеть, как системы будут развиваться и создавать устройства ближайшего будущего. Им не приходится ограничиваться только теми схемами, которые приводятся в литературе, а они могут собирать свои собственные, часто инновационные устройства, полезные в различных областях жизни человека. Многие из этих устройств учащиеся защищали на различных конкурсах и олимпиадах городского, всероссийского и международного уровней, занимая на них призовые места. За последние 5 лет были созданы такие устройства, как бытовой распределитель мощности, Таймер-Термометр-Термостат с регулятором мощности, многофункциональная платформа, металлоискатель на базе частотомера,  биобудильник с имитацией рассвета, элемент умного дома, светомузыкальный миостимулятор, многофункциональный рюкзак, отпугиватель кротов и птиц, светофор будущего, машина будущего и др. Из приведенных выше примеров следует, что образовательная программа «ТРИЗ в практической электронике» является кратчайшим путем к инновациям.