Известно, что в поиске решения технических задач претворяются в жизнь основные ступени творческого мышления. Это прежде всего отражение в сознании человека окружающей его технической среды, поступление к нему конкретной информации о ее состоянии, концентрация имеющихся знаний и опыта, отбор и анализ фактов, их сопоставление и обобщение, мысленное построение новых образов, установление их сходства и различия с существующими реальными объектами техники, а также в известной степени идеализация (схемные решения в общих чертах), абстрагирование (отвлечение от реальных условий), конкретизация, предвидение, воображение.
Еще по сей день не изжит взгляд на техническую самодеятельность детей и подростков как на некий придаток к учебной программе школы, внеклассное продолжение уроков. А подчас она представляется к тому же и нижним звеном обязательного обучения физике, химии, математике, черчению, трудовым навыкам. Технические идеи, выдвигаемые при этом школьниками, взрослые хотят видеть непременно как результат, следствие знаний, полученных на уроке, а не как нечто новое (пусть даже новое субъективно), опирающееся на фантазию творца и на знания, полученные не только в процессе обязательного обучения, но и вне его.
Нередко игнорируется то обстоятельство, что технические идеи и пути их решения возникают в сознании школьников и под влиянием других источников информации, в том числе самостоятельно добытых сведений, что возможна ситуация, когда научные знания могут быть, но в творчестве они не воплощаются, идеи конструкций у школьников не возникают. А дело здесь в том, что процесс технического творчества идет не напрямую — от научной идеи к техническому устройству, а от технической идеи к ее конструктивному решению, и уже от него — к конкретной модели, машине, прибору. Применительно к подросткам новизна такого предмета может быть и объективной в полном смысле этого слова (создается впервые, на уровне изобретения), и субъективной (создается нечто подобное уже существующему, но еще неизвестное данным школьникам).
Можно встретить и такой подход к проблеме, когда результат технического творчества школьников взрослые хотят непременно видеть внедренным в производство и обязательно приносящим экономический эффект. В подобной ситуации от ребят однозначно требуют доказать преимущества придуманного ими устройства перед серийно выпускающимися промышленными изделиями. Не изжит еще утилитарный подход к детскому техническому творчеству, который выражается в превознесении критерия «непосредственной выгоды». Подобное увлечение обязательным достижением экономического эффекта нередко проявляется при организации изобретательского и рационализаторского («воировского») труда подростков. Без учета возраста, опыта и знаний, школьников порой выдвигается требование (оно же критерий полезности или бесполезности творчества юных техников): во что бы то ни стало внедрять результаты поисково-конструкторского труда в производство. При этом упускается главная задача детской технической самодеятельности — обучение творчеству. «Я еще на волшебник, Я ТОЛЬКО учусь!» — эти хорошо известные ребятам слова маленького пажа из кинофильма «Золушка» следовало бы помнить всем взрослым при организации работы с юными техниками. Ведь овладев навыками творчества сегодня, школьники, когда вырастут, наверняка сумеют применить их с нужным эффектом в своих трудовых делах!
Поскольку процесс создания ребятами любого нового для них технического устройства включает в себя целый ряд относительно самостоятельных, но органически связанных между собой этапов, мы вправе вести речь о логической структуре их технического творчества.
В чем сущность этих этапов и каковы их наиболее характерные черты?
Есть в науке такое понятие — «субъект творчества». Им обозначают того, кто непосредственно создает технику. В данном случае субъект творчества — школьник в единственном или множественном числе. В зависимости от возраста им может быть ребенок, подросток, юноша со всеми качествами и возможностями, присущими любому из этих возрастов, при большей или меньшей практической и теоретической подготовленности их для творчества.
Субъект творчества по-разному может выражаться численно: отдельный школьник, творческая группа, звено, кружок, детское КБ, юношеская первичная организация ВОИР, научное общество учащихся и др. Иногда над решением сравнительно сложной технической задачи и воплощением задуманного реальный объект работают несколько звеньев, групп, кружков. Здесь мы сталкиваемся с такой отличительной чертой технического творчества детей и подростков, как многообразие форм организации их творческой деятельности.
Наряду с этим этапы процесса творчества могут отличаться характером технических противоречий, анализ которых послужил отправным моментом творчества школьников, особенностями и уровнем технических задач, над решением которых они работают, выполнимостью этих задач, степенью новизны, оригинальности самих задач и их решений. И наконец, немаловажную роль в достижении цели творчества играют средства, способы решения технических задач.
1. НА ПОДСТУПАХ К ТЕМЕ
Первый этап творческой деятельности школьников по созданию нового технического устройства состоит в том, что ребята активно, критически стараются осмыслить существующее, уже созданное ранее в избранном направлении поиска и конструирования. На этом этапе в их сознании формируется проблемная ситуация, которая аналитически осмысливается юными техниками: возникает творческий поиск.
Формирование проблемной ситуации стимулируется у ребят осознанием ими определенной потребности в оснащении школьного кабинета, мастерской, предприятия новым техническим устройством или во внедрении технологического процесса, пониманием необходимости нового технического средства и недостатков старого. На этом же этапе перед школьниками раскрываются и конкретные технические противоречия — своего рода «разногласиям между усилиями по достижению намеченного результата и препятствиями, конструкторскими или технологическими, стоящими на этом пути. В сознании ребят обозначаются общие контуры технических задач, а формулировках которых определяются приблизительная конечная цель поиска, исходные данные, возможные условия решения, необходимые ограничения и средства реализации задачи.
Таким образом, «продуктом» первого этапа поисково-конструкторского творчества школьников является постановка конкретной технической задачи. К этому моменту она имеет уже определенную структуру, осмыслена и логически сформулирована, может служить основой дальнейших творческих поисков. Рождение технической задачи происходит под влиянием факторов окружающей действительности, уровня развития науки, техники, производства, но характер ее постановки зависит от творческих возможностей самих ребят, их знаний и умений. Если при формулировке задачи не учитываются в достаточной мере реальные факторы и в первую очередь соответствие выдвинутой технической идеи законам природы, то и сама такая идея как первая стадия решения задачи окажется нежизнеспособной, нереальной.
Для успешного овладения проблемной ситуацией ребятам важно быть наблюдательными и самокритичными, проявлять интерес к новому, способность к анализу, волю к действию, чувство реальности. Важно также хорошо сознавать неполноту имеющейся информации по избранной теме творчества, стремиться восполнить этот пробел, чтобы из вновь приобретенных знаний выбрать самые необходимые, нужные для определения и уточнения задачи. Нельзя забывать, что даже сам процесс формулирования школьниками технической задачи тоже источник поиска нового. Путем же к отысканию нужных условий и средств решения задачи будет служить проводимый при этом юными конструкторами анализ соотношения требований задачи, целей поиска и условий достижения желаемого результата с раскрытием противоречий между ними.
Конечно, и нахождение, выявление ребятами технических противоречий, и постановка ими технических задач будут происходить различно: самостоятельно или с помощью старших, в процессе изучения разнообразной информации, в спорах и диспутах, при совместном обсуждении выдвинутых идей, при проведении опытов и экспериментов. Интенсивности творческого поиска, безусловно, будет способствовать и ознакомление школьников с техническими проблемами или идеями, уже поставленными жизнью, но еще не разрешенными практически, а также с логикой развития того или иного реального устройства, аналогами из области техники.
Весь ход творческого поиска решения технической задачи, его результаты во многом зависят от того, сколь грамотно и рационально эта задача формулируется, насколько сам творец овладевает ее структурой. На этапе, который мы сейчас рассматриваем, в ходе критического изучения школьниками проблемной ситуации, уже кем-то когда-то найденных и зафиксированных решений в сознании ребят происходит конкретизация задачи, вырабатывается направление дальнейшего поиска ее решения.
Формулировка или выбор технической задачи зависят прежде всего от практического опыта учащихся и их Эмпирических (добытых из этого опыта) знаний. Имеющиеся же у них теоретические знания служат здесь и предпосылкой формулирования задачи, и условием успешного творческого поиска школьников на всех этапах создания ими какого-либо нового технического устройства. Задача, если она поставлена и оформлена правильно, уже составляет некоторую часть будущего ответа.
Чтобы проиллюстрировать наши рассуждения о логике и структуре технического творчества, мы и обратимся к опыту работы кружка «Юный механик» физико-математической школы-интернате при Киевском государственном университете, о котором уже упоминалось в начале статьи. Этим кружком на протяжении многих лет руководит энтузиаст-общественник, сотрудник Украинского центра метрологии и стандартизации кандидат технических наук Анатолий Яковлевич Любарский.
Как это часто бывает, кружок не сразу нашел стержневую тему творчества. Юные механики начинали с двигателей, пытались построить модель свободнопоршневого ДВС с гидропередачей, затем пробовали создать бесшатунный двигатель внутреннего сгорания. Одновременно одна из групп школьников начала заниматься механизмами передвижения. Попытки моделирования оригинальных двигателей успеха не принесли, но второе направление творческого поиска — создание движущихся устройств по «патентам» живой природы — постепенно заинтересовало всех кружковцев, стало стержневой темой творчества этого коллектива.
Надо заметить, что к специальности руководителя кружка эта тема прямого отношения не имела, сфера его служебных обязанностей — разработка измерительных приборов. Так что в данном случае юных техников и их руководителя объединяли общий интерес, увлеченность в стремлении создать механизмы, функционально подобные движителям живых существ.
А. Я. Любарский рекомендовал кружковцам специальную литературу по биологии, биомеханике, механике, ребята сами искали и находили сведения по интересующей их теме в научно-популярных книгах и журналах. Настольной книгой в кружке стала, например, брошюра профессора Г. П. Катыса «Информационные роботы и манипуляторы», раскрывающая сущность движения ряда бесколесных механизмов.
Началом творчества в новом направлении послужили разработка и постройка нескольких простейших моделей — шестиногого механического жука на кулачковых механизмах, многоножки на пневматике и оригинального движителя — самоходной «волнующейся» поверхности. К этому моменту кружковцами был проведен серьезный информационный поиск, обеспечивавший им необходимый минимум теоретических знаний, определено общее направление творчества, накоплен изрядный практический опыт по созданию бесколесных самодвижущихся устройств.
Однажды у одного из юных техников появилась мысль: а нельзя ли по образу и подобию живых существ человеку проникнуть в геокосмос, в глубины Земли? Ведь в природе существуют «механизмы», с помощью которых живые существа успешно продвигаются в толще земной поверхности, обитают в ней. Почему бы не позаимствовать у этих существ технические решения?
Актуальность темы исследования была очевидной: недра Земли еще очень мало изучены, значительно меньше, чем, например, глубины морей и океанов. Значит, геокосмос — перспективная сфера приложения сил. Фантазия подростков рисует одну картину заманчивее другой. С помощью задуманных технических средств они видят себя уже не только покорителями толщи земной коры, но проникающими во все геосферы, вплоть до центра планеты.
Чтобы фантазия окончательно не завела кружковцев в область нереального, руководителю важно вовремя скорректировать ее, направить по целесообразному пути, наложить в некотором роде ограничения.
Без труда доказав школьникам, что проникновение в твердь земную на большую глубину потребует гигантских затрат энергии и особых материалов для реализации технического устройства, если оно даже и будет изобретено, А. Я. Любарский предложил своим воспитанникам подумать над тем, где реально сегодня может пригодиться в народном хозяйстве страны подземное транспортное средство.
О том, что думали и как понимали задачу сами юные авторы проекта, убедительно говорят их рассуждения, изложенные в реферате по исследуемой теме.
«Для осушения заболоченных местностей в современных мелиоративных работах приходится использовать не совсем удобную дренажную технику, — пишут школьники. — При этом применяются специальные стальные ножи. Три трактора тянут узкий стальной нож, который прорезает грунт на глубину около полутора метров. В земле этот нож тянет за собой болванку в форме артиллерийского снаряда, укрепленную на его конце, которая расширяет и обдавливает канал на глубине».
Недостаток такого способа юные техники видят в том, что приходится затрачивать слишком большую работу для вскрывания почвы, рытья траншеи, которая, в сущности, не нужна, лишь тоннель, который пробивает болванка под землей. «Следовательно, чтобы избежать лишних затрат энергии, — приходят К выводу кружковцы, — требуется использовать такое устройство, которое выполняло бы только подземную работу, то есть устройство, которое роет тоннель».
Так была в данном случае сформулирована техническая задача. Она довольно конкретна, актуальна, продиктована общественной потребностью. Прийти к ней юным техникам удалось только через углубление в проблему, благодаря кропотливому изучению литературы по теме, обсуждений добытой информации, споров и дискуссий.
2. РОЖДЕНИЕ ИДЕИ
Второй этап на пути создания школьниками какого-либо устройства по собственному замыслу наступает с зарождением в сознании ребят его технической идеи, на первых порах еще нечеткой, представляющейся в общих чертах. Новизна проектируемо» конструкции в данном случае опять выглядит, с точки зрения взрослых, как правило, субъективной, она «объективна» зачастую лишь для самих юных техников, хотя, как мы увидим дальше, и здесь возможны исключения.
На этом этапе школьники определяют принцип действия будущего технического устройства. Он либо подбирается, трансформируется из уже известных, либо устанавливается заново. Сама по себе техническая идея — это еще не решение задачи и даже не идеальный, воображаемый образ будущего устройства. Но это уже качественный скачок в процессе реализации задачи, сформулированной на первом этапе, поскольку идея составит ее техническую сущность, нечто наподобие гипотезы в науке.
Рассматриваемый период творчества характеризуется применением обширного арсенала методов поиска технического решения. Метод актуализации знаний (отбор знаний, наиболее важных в данный момент) и метод переноса и реконструкции идей, абстракции и обобщения, составляющие логическую основу поиска — здесь не единственные, так как они не исключают проявления фантазии и интуиции ребят при рождении технической идеи. Без них были бы совершенно невозможны, например, выводы по аналогии, имеющие в творчестве школьников едва ли не решающее значение. Все это говорит в пользу познавательной роли технического творчества, которая на этапе технической идеи проявляется исключительно активно.
Четко сформулированные, грамотно изложенные и зафиксированные (устно, письменно или графически) технические идеи, так же, как и логически выраженные технические задачи, — это уже продукт творчества учащихся, который будет использоваться в дальнейшем как отправной момент следующего этапа их поисково-конструкторской деятельности. При этом достигнутым результатом могут пользоваться не только сами авторы идеи, но и другие школьники, желающие приобщиться к решению поставленной задачи, найти пути достижения намеченной цели. При дальнейшей же разработке сформировавшиеся технические идеи трансформируются в сознании ребят во все более конкретные образы, которым потом предстоит реализоваться на практике, превратиться в «плоть и кровь» технического устройства.
Итак, мы видим, что конструкторская идея существует и до реального воплощения. Материализация же ее, обусловленная конкретными параметрами, есть не что иное, как само техническое устройство, которое было задумано создать. Но порой бывает и так, что творчество школьников не доходит до логического завершения, далее технической идеи не продвигается. Это случается, как правило, в тех случаях, когда в ходе разработки темы вдруг обнаруживается отсутствие у подростков необходимых материально-технических возможностей для реализации идеи или же к ней по каким-либо причинам пропал интерес.
Результатом усилий школьников на первом этапе творчества, как мы отметили ранее, явилась техническая задача — требуется создать устройство, прокладывающее подземный тоннель без вскрытия поверхности (на примере кружка А. Я. Любарского). Добавим — пока только для осушения болот, то есть для работы в мягком грунте. Последнее есть ограничение, уточняющее задачу. И довольно существенное, поскольку оно облегчает задачу и, следовательно, содействует ее реализации.
Поиск технической идеи начинался с выбора живого прототипа, обитающего в земле и перемещающегося в ее толще. Проанализировав многообразие видов подземных живых существ по принципу их передвижения, участники поиска остановились на земляном черве.
Техническая идея заключалась в данном случае в том, чтобы заимствовать у живого прототипа принцип движения и отчасти его внешнюю форму.
Справедливости ради надо сказать, что при изучении науч-но-популярной и специальной литературы кружковцы не обнаружили сведений о разработке подобной идеи. Ознакомление с патентной информацией, которое провел их руководитель, ничего нового не добавило. Вместе с тем в ходе изучения темы участники поиска обнаружили ряд любопытных идей и решений, направленных на прокладку подземных тоннелей. Хорошим источником информации по данной проблеме, в частности, послужил «Бюллетень изобретений». Однако в основу всех опубликованных в нем сообщений был положен принцип ударного внедрения в грунт или бурение, пригодные лишь для плотных грунтов. Были найдены в бюллетене и решения для слабых и водонасыщенных грунтов, но все они предусматривали применение выдвигающихся лап и упоров. Устройств же в виде механического червя, без выступающих движущихся элементов, юные техники не встретили. В итоге они пришли к выводу, что реализация их идеи позволит создать механизм более простой и более гибкий по сравнению с существующими, способный прокладывать тоннели любой криволинейной формы.
Так сформировалась у участников поиска техническая идея — завершился второй этап творчества.
3. ИДЕАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ
На третьем этапе творчества идет разработка воображаемой (идеальной) модели будущего технического устройства. Она возникает в сознании ребят как результат мысленного экспериментирования, техническая идея в их представлении оформляется в схему. Так определяются функциональная и структурная схемы машины, прибора, приспособления, возникающие в сознании как идеи-образы.
Надо заметить, что мысленное построение идеальной модели (схемы) и рождение технической идеи имеют существенные отличия.
Во-первых, при мысленном моделировании уже хорошо прослеживается активная конструкторская деятельность ребят, которая опирается на сформулированные ранее цели и задачи их творческого поиска, влияющие, в свою очередь, на ход схематизации технической идеи. Во-вторых, идеальная модель — это своего рода предпосылка к сооружению в перспективе самого реального технического объекта или его модели. Следовательно, на третьем этапе творчества крайне желательны наиболее четкие функциональные и структурные проработки будущего устройства в целом и отдельных его элементов. Образование в сознании школьников идеальной модели будущего устройства — это уже начало его построения, воображаемая реальность, иными словами, ребята уже обосновывают, мысленно формируют образ задуманного изделия.
Данный этап творчества важен еще и тем, что он имеет доказательное значение: на нем теоретически определяется возможность реального осуществления выдвинутой технической идеи. И если, образно говоря, эту идею рассматривать как сущность будущего устройства, то идеальная модель — это представление о нем. Поскольку идея-образ носит предварительный характер, то в ней намечаются лишь основные черты будущего технического устройства. Участники творческого поиска стремятся в такой модели возможно полнее представить проектируемый механизм и принцип его действия. Однако они не всегда могут предвидеть все трудности, неизбежно встающие при воплощении идеальной модели в материальную. В ходе «мысленного эксперимента» идеальная модель или утверждается и берется за основу дальнейшей разработки технического устройства, или «отбрасывается», заменяется новой.
Построение идеальной модели выглядит как попытка творца предвосхитить будущую конкретную конструкцию, следовательно, такую модель можно считать эвристической, то есть поисковой. Это правомерно и в том случае, когда подобная модель строится с учетом существующих реальных схем чего-либо сходного (дальнейшее развитие, усовершенствование машины, станка, прибора и др.), и тогда, когда создается действительно оригинальное техническое устройство, не имеющее прямых предшественников (как это, например, имело место в кружке, руководимом А. Я. Любарским).
На стадии построения идеальной модели школьники неизбежно абстрагируются (отвлекаются) от конкретных качественных особенностей будущего технического устройства, поскольку имеющаяся в их распоряжении информация о возможных путях и средствах его воплощения «в металл» довольно-таки ограничена. По этой же причине воображаемая модель всегда будет упрощенной в сравнении с конструкцией реального устройства.
Отметим при этом одну характерную и весьма важную особенность мысленной модели: при подлинно творческом поиске она не является аналогом существующего объекта, поскольку его еще пет вообще, а лишь отражает замысел о некоем будущем устройстве (в отличие от репродуктивной конструкторской работы школьников, когда идеальная модель бывает не чем иным, как отражением в их сознании чего-либо реального, вещественного). В этом случае очень большое значение для успешной творческой деятельности ребят приобретают так называемое комбинационное («построительное») воображение и заключения по аналогии. Последние развиваются от уяснения свойств и структур уже знакомых школьникам технических конструкций к гипотетическим (предполагаемым) характеристикам будущего технического устройства.
Итак, в процессе поисково-конструкторского творчества идеальные модели выполняют роль мысленных образов, «конструкций», которые рождаются в сознании человека и над которыми он совершает воображаемые операции и преобразования, «мысленные» эксперименты. Эти идеи-образы фиксируются с помощью определенных графических средств: схем, эскизов, чертежей, рисунков, становясь наглядными. В таком виде они обсуждаются, дорабатываются, совершенствуются.
Что представляла собой идеальная модель устройства для прокладывания тоннелей в грунте?
Работа по проектированию механического «червя» привела ребят к мысли, что устройство должно иметь шаговое движение: эффективность его действия будет мало зависеть от длины соединительных коммуникаций. Принцип перемещения по аналогии заимствуется у живого прототипа, обоснование вывода о преимуществах — тоже у него. Воображение ребят рисует при этом длинную остроносую конструкцию, которая поступательно, «шагами» продвигается в грунте. Это уже идеальная модель, возникшая в сознании авторов проекта.
Конструкция устройства должна обеспечить стабильность направления движения. Отсюда делается вывод, что значительной части корпуса предстоит играть роль направляющей (в виде цилиндра) с коническим головным отсеком и, следовательно, быть жесткой. За цилиндром располагается гибкая часть корпуса, за ней — соединительные коммуникации (шланги или провода, в зависимости от вида используемой энергии).
Так на основе технической идеи родился первый мысленный образ устройства, «построена» его первая, очень приближенная идеальная модель. Но жизненна ли она, при каких условиях воображаемое устройство сможет выполнять свои функции? Предварительные ответы на эти вопросы можно попытаться получить логическим построением на той же стадии поиска.
4. КОНСТРУИРОВАНИЕ
Четвертый этап создания технического устройства — конструирование. Здесь юные техники уже стремятся привести в соответствие «форму» и «содержание» устройства. Между тем. что они представляли себе, «строя» идеальную модель (схема структуры, функциональных зависимостей узлов и деталей), и конструктивной схемой реального объекта (рабочих проектов или макетов) обычно бывает мало соответствия. И это естественно: в процессе конструирования устройства ребята обнаруживают погрешности и слабые стороны своих мысленных построений (предположений), пригодность их апробируется средствами технического эксперимента и логики конструкционных соотношений. Наступает пора увязки всех этих моментов: уточняются намеченные ранее схемы, выявляются дополнительные конструкционные возможности. У школьников появляются новые мысли и рождаются дополнительные варианты усовершенствований, структуры будущего изделия. Основным принципом творческого поиска служит достижение целесообразности, ясности, простоты и технологичности создаваемого устройства, оправданности внешних форм и размеров, оптимального их соответствия назначению механизма.
Выполнение юными техниками этого принципа органически связано с применением ими других важных приемов конструирования, таких, как взаимозаменяемость, агрегатирование, преемственность, которые являются своего рода синтезом конструкторской мысли предшественников. Все это наглядно показывает ребятам, что процесс поиска конкретного решения технической задачи невозможен без использования достижений других людей. Соблюдая упомянутые принципы, школьники на собственном опыте убеждаются в действенности основного закона технического творчества — дифференцированного подхода к решению общей проблемы, который, в свою очередь, складывается из синтеза ряда частных решений. Разрабатываются заново лишь элементы, непосредственно определяющие новизну проектируемого изделия.
В процессе создания нового технического устройства очень полезно бывает предложить ребятам проанализировать в этом плане проектируемую ими конструкцию, самостоятельно выявить, что заимствовано из уже готового, придуманного другими, и что является продуктом их собственного поиска. Однако эффект новизны в техническом творчестве достигается нередко и путем использования иной структуры, иного функционального применения элементов уже известных конструкций (метод инверсии). Эти элементы могут быть преднамеренно взяты из существующих технических устройств.
В техническом творчестве подростков метод комбинирования известных уже элементов находит самое широкое применение, что вполне естественно для конструкторов начинающих, с небольшим еще багажом научных и технических знаний и скромным практическим опытом. А это обстоятельство, в свою очередь, соответствует такой специфической черте технического творчества, как его комбинационный характер. Отсюда вытекает и немаловажный принцип творчества в технике — приступать к разработке новых элементов конструкции, лишь убедившись в невозможности обойтись без них.
В зависимости от сложности разрабатываемого технического устройства и уровня подготовленности его авторов движение конструкторской мысли от общих представлений к конкретному решению может охватывать или все три основные стадии конструирования — эскизный, технический, рабочий проекты, или ограничиваться первыми двумя. При этом надо заметить, что в технических кружках зачастую удовлетворяются лишь эскизами проектируемого изделия, подгоняя, как принято говорить, «по месту» детали устройства. Но существует и немало таких детских внешкольных учреждений, где для обслуживания ведущих кружков созданы свои, в миниатюре, конструкторские бюро с соответствующим оснащением. Замечено, что за кульманами таких самодеятельных КБ охотнее работают девочки, и подобные «проектные» подразделения создаются, как правило, в крупных клубах юных техников при промышленных предприятиях, опытных заводах и отраслевых КБ.
Поскольку «продукция» этапа конструирования может выражаться в эскизном или техническом проектах, в рабочих чертежах, п виде модели или макета, то переход от мысленного построения к конкретным разработкам представляет собой определенный качественный скачок в процессе творчества, требующий от ребят изобретательности и воображения. Этот процесс на данном этапе протекает с учетом как общих, основных требований, предъявляемых к любому изобретению, так и специфических, зависящих от условий работы будущего технического объекта — машины, прибора, приспособления и т. п. В поле зрения его авторов должны, разумеется, находиться также и результаты, последствия воздействия изобретения на окружающую среду. И поскольку существование нового технического устройства на этапе конструирования его школьниками выражается преимущественно в графической форме, в виде предварительных макетов или моделей, а не в реальных действующих устройствах, от авторов разработки требуется и проявление интуиции, и предвидения. Немалое значение на рассматриваемом этапе приобретает учет юными конструкторами и таких факторов, как характер возможных изменений технических условий, в которых предстоит работать создаваемому ими устройству, перспективы его дальнейшего развития.
Конструирование в процессе технического творчества является для школьников этапом, с которого начинается путь преодоления, разрешения ими технических противоречий между идеей и ее материализацией, между теорией и практикой. Это путь 0т изобретения в форме идеальной модели к чертежам конкретного устройства, а от них — к макету, действующей модели, реальному экспериментальному образцу. Нередко этот путь завершается значительным изменением схемы технического устройства.
В основе конструирования лежат технические расчеты; в зависимости от возраста, уровня физико-математической и технической подготовки школьников степень сложности таких расчетов может колебаться в значительных пределах. На этом этапе может проводиться также экспериментальная проверка отдельных деталей и частей устройства. Испытание же разрабатываемого технического объекта в целом возможно только с созданием опытного образца или его действующей модели.
Исключительно важны при конструировании последовательность и точность выполняемых школьниками расчетов — условие, во многом предопределяющее весь дальнейший ход процесса творчества. Заметим, что на этом же этапе выявляются «нерасчетные» характеристики элементов конструкции, зависящие от функционального назначения тех или иных деталей, их общей компоновки в техническом объекте, кинематических, технологических и других соображений (не говоря уже о «нерасчетности» в тех случаях, когда подростки не владеют для этого счце в достаточной степени математическим аппаратом). В техническом творчестве школьников при определении нерасчетных характеристик в основном довольствуются использованием возможностей интуиции и здравого смысла. Это допустимо в тех случаях, когда конструируемое изделие (модель, прибор и др.) не несет сколь-либо значительных силовых нагрузок.
Решаемые подростками новые для них технические задачи выявляют недостаточность имеющихся в распоряжении школьников данных, в силу чего бывает неизбежен метод подбора детален, последовательного приближения к наиболее приемлемому конструктивному решению, введению ограничений, упрощений и допущений. По этой причине решения одной и той же задачи разными путями и средствами могут привести к различным результатам. Характерно, что применение расчетов и иных средств технического обоснования при конструировании наглядно демонстрирует школьникам связь теории (математика, физика и др.) с практикой, их взаимопроникновение.
5. МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТ
Как уже упоминалось раньше, в кружке, руководимом А. Я. Любарским, юные авторы проекта в качестве живого прототипа для подражания избрали дождевого червя, принцип его передвижения. Механического «червя» решили конструировать из отдельных секций, подвижных в осевом направлении и имеющих эластичные оболочки (рис. 1). Школьники основывались на том, что под действием сжатого воздуха или гидравлики оболочки должны расширяться и тем самым фиксироваться в стенках прокладываемого тоннеля, а головная секция, опираясь на них, с усилием внедряться в грунт. Затем, закрепившись таким способом, она подтянет к себе остальные секции.
Идея, воплощенная ребятами в эскизный проект, а потом и смоделированная ими в пневматическом варианте, подтвердила целесообразность следования по избранному пути творческого поиска. Моделирование здесь носило функциональный характер: авторы разработки хотели убедиться, что изобретаемый ими механизм способен перемещаться по принципу движения червя, а также проверить, насколько будет работоспособна оболочка такой конструкции. Динамические и статические характеристики устройства на этом этапе исследованию не подлежали.
Заметим, что поскольку юные конструкторы не собирались испытывать первую модель в рабочих условиях (для прокладки дренажных каналов), то и не имело смысла применять гидравлику: для этого пришлось бы добывать дорогостоящее и сложное оборудование, изготовлять с высокой степенью точности отдельные детали. Авторов проекта удовлетворила на этом этапе и пневматика: небольшой компрессор подавал сжатый воздух в оболочки секций, заставляя их имитировать работу определенных групп мышц живого червя. А чтобы циклы действия пневматики чередовались в секциях в нужном порядке, ребята применили самодельный прибор с несложной логической схемой, собранной на четырех реле.
Испытали устройство на «модульность» — возможность составлять механического «червя» из различного числа секций. В зависимости от их числа в машине согласно рабочей гипотезе авторов проекта должна изменяться величина усилий на головке, прокладывающей тоннель в грунте. Для приведения в действие головной секции в модели применили небольшой электродвигатель с винтовой парой. Он обеспечивал поступательное движение всего устройства… по столу. Получив необходимые данные с помощью модельного эксперимента, ребята приступают к созданию рабочей модели, способной проникать в грунт, прокладывать в нем настоящий тоннель небольшого диаметра.
Действующая модель механический «червь» состоит из головной части I, толкающего гидропривода II, вспомогательной секции III, переходной части IV, блока основных секций V, соединительных шлангов VI:
1 — ударный конус, 2 — гидроцилиндр, 3 — гайка крепления поршня, 4 — поршень, 5 — шток, 6 — задняя крышка гидроцилиндра, 7 — проволочный бандаж, 8 — эластичная оболочка, 9 — направляющая, 10 — разрезное кольцо, 11 — штанга, 12 — возвратная пружина, 13 — эластичный чехол, 14 — трубопровод рабочей жидкости, 15 — корпус «червя», 16 — воздуховод, 17 — резиновая пробка, 18 — гайка.
Здесь уже необходимо было устройство с гидравлическим приводом, что, по мнению авторов проекта, должно было и обеспечить большие усилия, и повысить надежность системы. Сначала они выполняли эскизный проект всего механизма — рабочие чертежи отдельных узлов и деталей.
Механический «червь» (рис. 2) получился состоящим из шести основных узлов: головной части, толкающего гидропривода вспомогательной секции, переходной части блока основных секций и соединительных шлангов. Головную часть решили оформить в виде конуса, основание которого являлось бы одновременно крышкой гидроцилиндра. Толкающий привод «червя» представляет собой однополостный гидроцилиндр с пружинным возвратом. Внутренний диаметр цилиндра — 60 мм: этот размер, как показали предварительные расчеты, при давлении 35 кгс см2 обеспечит продавливающее усилие порядка 1 тонны в секунду.
Вспомогательная секция «червя» включает в себя крышку цилиндра, направляющую и эластичную оболочку, передняя часть которой прикреплена к направляющей с помощью проволочного бандажа. Противоположна часть оболочки ребята решили прикрепить к направляющей с помошью разрезного кольца, имеющего на наружной поверхности зубцы, за которые закреплены продольные армирующие нити оболочки.
В переходной части «червя» юные конструкторы разместили узлы соединений штока с корпусом трубопровода рабочей жидкости и воздушного трубопровода с корпусом. Снаружи переходную часть закрыли эластичным чехлом со спиральной проволочной армировкой, позволяющей чехлу удлиняться при перемещении штока вместе с корпусом вдоль направляющей.
Блок основных секций «червя» состоит из корпуса, на котором установлено семь эластичных оболочек, прикрепленных к нему аналогично оболочке вспомогательной секции. Сквозь корпус проходят трубопроводы По одному из них рабочая жидкость поступает в гидроцилиндр, а второй служит для подачи воздуха в эластичную оболочку вспомогательной секции. Место выхода трубок из корпуса уплотнено резиновой пробкой, затягивающейся гайкой. Для подачи воздуха внутрь корпуса и далее в оболочки основных секций предусмотрена специальная трубка.
Распределительный блок литания (на схеме не показан) подключается с помощью соединительных шлангов. Он имеет электроуправляемые клапаны и программный механизм, обеспечивающий открывание клапанов в нужной последовательности. Источником сжатого воздуха в данном случае послужил передвижной компрессор производительностью 6 кгс/см2, а для подачи рабочей жидкости (веретенного масла) в гидроцилиндр был использован мультипликатор, преобразующий давление 6 кгс/см2 в давление 35 кгc/см2.
По условиям, в которых предстояло работать новому устройству, от его создателей требовалось обеспечить полную герметичность конструкции и достаточную длину ее направляющей части (для стабилизации направления движения «червя», поскольку дистанционно управляемого маневрирования не предусматривалось). Перемещаться устройство должно было шаговым поступательным движением.
Испытывали юные техники свою модель, как мы уже упоминали, в почвенном канале НИИ гидротехники и мелиорации. Механического «червя» вручную закапывали в заранее подготовленный грунт в горизонтальном положении на полуметровую глубину с последующей подтрамбовкой разрыхленного слоя. Затем, включив компрессор и распределительный блок, приводили устройство в движение. С одной установки оно проходило путь около 5 м — такова длина почвенной засыпки канала. По времени, затраченному на преодоление этой дистанции, ребята измеряли среднюю скорость движения модели, а при каждом проходе «червем» канала определяли среднюю плотность и влажность грунта (по данным замеров в трех местах по пути движения модели). Усилия, действующие при ее перемещении (подтягивания и максимальное упорное, создаваемое эластичными оболочками), замерялись а конце каждого прохода с помощью динамометра. Сила продавливания грунта определялась по давлению рабочей жидкости в напорном цилиндре мультивибратора. Добавим, что продолжительность рабочего цикла механического «червя» составляла 20—60 м; в грунте он прокладывал тоннель с уплотненными обжатыми стенками.
О творческих находках юных техников, об успешном решении ими оригинальных конструкторских задач наш журнал рассказывал неоднократно. Примеров поисковой, исследовательской рационализаторской деятельности школьников сегодня можно привести немало. Однако для того, чтобы движение юных новаторов стало еще более массовым и эффективным, им нужно грамотно и умело управлять. Об этом часто пишут к нам в редакцию руководители кружков, клубов, станций юных техников, энтузиасты-общественники — непосредственные организаторы технического творчества детей и подростков.