Title: УДК 378
Author: KPIS
Last saved by: Otdel ZSiR
Company: UIPA

УДК 37.026.9
© Рубан Н.П.

ІНТЕГРОВАНІ ДИДАКТИЧНІ ЗАСОБИ КРЕАТИВНОГО НАВЧАННЯ СТУДЕНТІВ ТЕХНІЧНИХ ДИСЦИПЛІН

Постановка проблеми. Будь-який технічний об’єкт описується системою параметрів, які характеризують його якість. Всі технічні об’єкти, як правило, описують наступні групи параметрів [1]:
-	функціональні параметри, які характеризують найважливіші показники реалізації функцій технічного об’єкту (продуктивність, точність, надійність тощо);
-	технологічні параметри, які пов’язані з можливістю та простотою виготовлення технічного об’єкту (використання матеріалів, технологічні можливості, трудомісткість виготовлення);
-	економічні параметри, які визначають економічну доцільність реалізації функцій (витрати матеріалів, витрати енергії, габаритні розміри технічного об’єкту, витрати на підготовку);
-	антропологічні параметри, що пов’язані з питаннями людського фактору або впливу позитивних та негативних факторів на людину, які визвані одержаним технічним об’єктом (ТО) (безпека ТО, екологічність ТО, ергономічність ТО).
Проблемою вдосконалення та розвитку технічних об’єктів є підвищення їх якості за будь-яким параметром (покращення цього параметру) за умови збереження якості інших параметрів у відповідності з існуючими об’єктивними вимогами.
Об’єктивною стороною існування тієї чи іншої технічної галузі є неперервний розвиток та вдосконалення відповідних технічних об’єктів. Основою цього розвитку є неперервне розв’язання технічних суперечностей між наявним рівнем якості технічного показника та вимогам. Сучасні методики креативного навчання студентів технічних дисциплін повинні адекватно моделювати розвиток відповідної технічної галузі  [4,8,10]. Навчання стане творчим процесом, якщо буде побудоване як дослідницька діяльність. Дуже важливо щоб навчання не зводилось до засвоєння готових правил та визначень. Необхідно щоб процес навчання мав вигляд „добування знань”. Реалізувати це можливо за умови розробки таких методик навчання, які побудовані на реалізації принципів проблемного навчання  [5,8,10]. Основою проблемного навчання є створення та розв’язання проблемних ситуацій.
Ознакою проблемної ситуації в навчанні є те, що вона створює складність, подолати яку студент може лише в результаті власної мисленої активності.
Для створення пізнавальної потреби (мотиву) необхідно визначити проблеми (суперечності) технічного об’єкту. Для усвідомлення проблеми технічного об’єкту необхідно сформулювати задачі. Як правило, проблему можна вирішити за допомогою розв’язання багатьох задач (різними шляхами). Кожна із задач може відображати лише деякі сторони технічної проблеми. Для формулювання задач в першу чергу необхідно визначити причини виникнення технічної проблеми. В результаті аналізу технічної проблеми, причин її виникнення і формулюються задачі. Усвідомлення задачі студентом означає, що він розуміє логічні зв’язки і відношення між відомим та невідомим. При цьому виникає можливість пошуку рішення.
Процес мислення починається з етапу усвідомлення задачі студентом. На цьому етапі студент потрапляє в проблемну ситуацію в психологічному сенсі, суперечністю якої є суперечність між пізнавальною потребою і відсутність можливостей її задоволення. Якщо не управляти навчально-пізнавальною діяльністю студентів за допомогою дидактичних засобів, то задача буде розв’язуватися методом спроб та помилок, хаотично.
Це обумовлює наявність проблеми управління творчою навчально-пізнавальною діяльністю студентів.
Аналіз останніх досліджень та публікацій. На сьогодні розроблено досить велику кількість дидактичних засобів управління навчально-пізнавальною діяльністю студентів при реалізації методів креативного навчання [2,10]. 
Дидактичними засобами управління навчально-пізнавальною діяльністю студентів при реалізації методу евристичних питань є підготовлений список спеціальних питань. Розрахунок робиться на те, що при пошуку відповіді на поставлені питання і буде знайдена необхідна ідея розв’язання задачі. Існують списки евристичних питань А. Осборна та  Т.Ейлоарта. Списки питань за А. Осборном містять 9 груп питань, серед яких наступні [2]: 
- яке нове застосування технічному об’єкту ви можете запропонувати?;
- чи можливе розв’язання задачі шляхом спрощення, пристосування, скорочення?;
- які модифікації технічного об’єкту можливі? що можливо збільшити в технічному об’єкті? та інші.
У зв’язку з тим, що питання спрямовані на конкретну відповідь, то оригінальних ідей і рішень можна і не отримати. До недоліків дидактичних засобів при реалізації методу евристичних питань слід також віднести відсутність додаткової інформації, що затруднює процес пошуку розв’язання задачі.
Список питань за Т. Ейлоартом представляє собою програму роботи кваліфікованого досвідченого винахідника. В даному випадку використовуються такі завдання: перерахувати всі якості технічного рішення, що пропонуються; змінити їх; знайти біологічні, економічні , молекулярні та інші аналоги; побудувати математичну, механічну, гідравлічну та інші моделі системи, що розглядається. Такий список питань, який орієнтований на кваліфікованого спеціаліста майже не можливо використовувати в якості дидактичних засобів управління навчально-пізнавальною діяльністю студентів.
Дидактичними засобами при реалізації методу Г.С. Альтшулера, що найбільше використовується на практиці для розв’язання творчих задач, є  алгоритм розв’язання творчих задач (АРТЗ) [1,2]. За цим методом процес розв’язання полягає в тому, що шляхом порівняння ідеального і реального стану технічної системи виявити технічне або фізичне протиріччя та усунути його, перебираючи відносно невелику кількість варіантів. Перевагами таких дидактичних засобів є можливість покрокового управління діяльністю студентів, наявність в якості інформаційної допомоги великого фонду спеціальних прийомів розв’язання технічних і фізичних протиріч, а також спеціальних методів та фізичних ефектів. Але в цьому алгоритмі не достатньо розроблений центральний крок - пошук нового технічного рішення. Обумовлюється це тим, що на цьому етапі відсутнє керування творчою діяльністю. 
В такому вигляді алгоритм призначений для розв’язання реальних винахідницьких задач досвідченими фахівцями, а не для креативного навчання студентів технічних дисциплін. Але такі переваги дидактичних засобів на основі АРТЗ, як покрокове управління діяльністю студентів та інформаційна допомога слід використовувати для креативного навчання студентів технічних дисциплін. 
Найбільш відомим прикладом інформаційної допомоги є розроблена Г.Альтшулером таблиця подолання технічних протиріч [2]. Змістом таблиці є пошук відповідних евристичних прийомів для подолання технічних протиріч, у випадку, якщо не вдається розв’язати задачу відомими способами. За допомогою цієї таблиці скорочуються витрати часу на розв’язання творчих технічних задач. Але в даному випадку студент повинен володіти знаннями досить великої кількості евристичних прийомів та й рішення будуть отримані вузькопрофільними.
Таким чином, розглянуті вище дидактичні засоби управління творчою навчально-пізнавальною діяльністю студентів не задовольняють в повному обсязі вимогам креативного навчання майбутніх інженерів технічних дисциплін. Але такі їх важливі ознаки, як  покрокове управління діяльністю студентів, наявність евристичних питань та інформаційної допомоги, можуть бути основою для розробки дидактичних засобів управління навчально-пізнавальною діяльністю студентів.
Постановка завдання. Метою дослідження є розробка ефективних дидактичних засобів покрокового управління навчально-пізнавальною діяльністю студентів при розв’язанні творчих технічних задач на основі евристичних питань та допоміжної інформації.
Виклад основного матеріалу. Визначимо теоретичні засади розробки ефективних дидактичних засобів для розв’язання творчих технічних задач. Навчання полягає в накопичені знань та опануванні способами оперування ними (прийомами їх добування та застосовування). Розуміння навчання як подвійного процесу накопичування знань та опанування способами їх використання виключає протиріччя між процесом навчання та творчим мисленням [11].
В процесі мислення (засвоєння знань) одночасно присутні як „образна”, так і „понятійна” логіка [11]. Просторове мислення забезпечує створення просторових образів та оперування ними в процесі розв’язання задач. Основним механізмом цього виду мислення є діяльність представлення (оперування образами, їх перетворення). В цьому випадку відбувається перехід від просторових образів реальних технічних об’єктів до умовно-графічних зображень, від трьохмірних зображень до двомірних і навпаки [11]. 
Образне мислення є суттєвим компонентом в усіх видах людської діяльності. Образне мислення оперує не словами, а образами. Та це не означає, що в даному випадку не використовується словесна інформація у вигляді визначень, думок, висновків. Але в образному мисленні слова використовуються лише як засіб вираження, і не є його змістом.
Будь-який мислений образ вимагає теоретичного осмислення через систему понять. З іншої сторони немає прямого шляху засвоєння понять. Їх засвоєння завжди супроводжується мисленими образами. І образ, і поняття дають узагальнені знання про об’єкт, який представлений словом [3,11]. Таким чином, „образна” і „понятійна” логіка – це не дві самостійні логіки, а єдина логіка протікання мисленого процесу. Поняття та образи якими оперує мислення представляють дві сторони єдиного процесу. 
На цих положеннях ґрунтується теорія подвійного кодування Пайвіо (Paivio). Пайвіо визначив [3], що існує дві системи репрезентації знань: образна й вербальна. Вони тісно пов’язані між собою. Образна репрезентація може активувати вербальну репрезентацію, і навпаки, вербальна репрезентація може викликати образне уявлення. Вербальна та образна репрезентація по різному функціонують: кодують, організують, зберігають та відтворюють різні типи інформації. Одиницею вербальної репрезентації є „логогени”, образної – „імагени”.
 Логогени та імагени функціонують на трьох рівнях обробки інформації. На першому рівні процесу репрезентації логогени та імагени активуються відповідними словами або образами. На друому рівні референції логогени та імагени взаємно активують один одного. На третьому асоціативному рівні відбувається активація одних логогенів за допомогою інших та одних імагенів – іншими. На цьому рівні відсутній прямий перехід між логогенами та імагенами. Пайвіо показав, що різні задачі виконуються або однією із систем, або двома системи разом. Якщо працюють дві системи разом, то процес переробки інформації здійснюється ефективніше. Цей факт підтверджено експериментально.
Розглянуті вище теоретичні положення покладені в основу розроблених інтегрованих дидактичних засобів навчально-пізнавальною діяльністю студентів для креативного навчання технічних дисциплін. Структура інтегрованих дидактичних засобів на прикладі технічної дисципліни „Процеси та апарати хімічних виробництв” приведена на рис. 1.

Інтегровані дидактичні засоби

Понятійна  (вербальна) складова

Образна складова

Евристичне питання

Допоміжна текстова інформація

Хімічні формули

Математичні залежності фізико-хімічних процесів

Технічні схеми та креслення

Струкурно-логічні схеми

	

Рис.1 Структура інтегрованих дидактичних засобів навчально-пізнавальної діяльності студентів для креативного навчання процесів та апаратів хімічних виробництв

Розглянемо розроблені інтегровані дидактичні засоби навчально-пізнавальною діяльністю студентів більш детально за допомогою цієї структури.
Інтегровані дидактичні засоби управління навчально-пізнавальною діяльністю студентів при розв’язанні творчих технічних задач розроблено на основі евристичних питань та допоміжної інформації [4] та містять дві інформаційні складові: понятійну та образну. Розрахунок робиться на те, що при пошуку відповіді на поставлені евристичні питання при використанні контекстної допоміжної як вербальної, так образної інформації і буде знайдена необхідна ідея розв’язання задачі. Це відбувається за рахунок того, що шляхом поставлених питань та допоміжної інформації рівень інформаційної невизначеності проблеми знижується до такого рівня, який дозволяє знайти розв’язання задачі. Для дисципліни „Процеси та апарати хімічних виробництв” в якості допоміжної інформації можуть бути: структурно-логічні схеми, технічні схеми та креслення, математичні залежності фізико-хімічних процесів, хімічні формули. Образна інформація має невелике значення без словесних пояснень. Тому вербальна складова складається із евристичних питань та допоміжної текстової інформації.
Розглянемо приклад розв’язання проблеми підвищення турбулентності для перемішування всього об’єму хімічного апарату, з причин наявності застійних зон теми „Перемішування ”для технічної дисципліни „Процеси та апарати хімічних виробництв” засобами інтегрованих дидактичних засобів.
Розглянемо хімічний апарат для перемішування двох рідин з різною щільністю або в’язкістю (рис.2).

11

222

33

щ

....

N

застій-на зона

Рис.2. Базове технічне рішення хімічного апарата

Його суттєвими інформаційними ознаками є:
1)	наявність лопаток (N);
2)	обертання лопаток навколо валу (щ);
3)	використання всієї лопаті при перемішуванні.
При перемішуванні виникають зони вихрів тільки біля кромок лопаті, бо швидкість переміщення рідини в цих зонах найбільша. Чим ближче до валу, тим менша швидкість переміщення рідини. Таким чином, в цих місцях виникає зона застою, де рідина рухається, але немає процесу перемішування однієї рідини з іншою. А для руху рідини (яке не потрібне для перемішування) в зоні застою витрачається велика кількість енергії. 
Таким чином, може бути сформульована одна із задач:
Як зменшити витрати енергії на перемішування?
Технічні рішення,  які виключають зони застою при перемішуванні приведено на рис.3.

 щ

                                                    

Рис.3. Нові технічні рішення
          
Для того, щоб допомогти студентам самостійно знайти це технічне рішення задачі, яке для них є новим визначимо їх суттєві інформаційні ознаки:
1)	наявність лопаток (N);
2)	обертання лопаток навколо валу (щ);
3)	використання тільки кінцевої частини лопаті для перемішування.
Порівняємо інформаційні ознаки базового та нового технічних рішень. Дві перші ознаки ідентичні, третя – відрізняється використанням тільки корисної частини лопаті для перемішування, замість всієї. Таким чином, дидактичні засоби повинні навести студентів на думку про використання тільки частини лопаті на її кінці. 
Перехід від початкового технічного рішення до нового можна розв’язати за допомогою евристичних питань та допоміжної інформації інтегрованих дидактичних засобів.
Спочатку необхідно задати студентам наступне евристичне питання: Де в апараті виникають вихрі? В якості допоміжної інформації може бути використаний розподіл швидкостей рідини відносно площини лопаті (рис.4).

Д

х

                                          

                                        
Рис. 4. Розподіл  швидкостей рідини відносно площини лопаті

 Зі схеми відразу стає видно, що найбільша швидкість рідини досягається на кінцях лопаті. Найвирогідніше, що в цій зоні і виникає зона вихрів. В інших зонах рідини рухаються, але не перемішуються одна з одною. Для вияснення причин виникнення вихрів пропонується наступне евристичне питання: Чому не виникають вихрі в зоні вала? Допоміжною інформацією для цього питання є критерій Рельнольдса, який визначає режим руху: ламінарний чи турбулентний , де
х – середня швидкість потоку, м/с;
d – діаметр апарату;
с – густина, кг/м^3;
з – динамічний коефіцієнт в’язкості рідини.
Як видно із хімічної формули, режим руху залежить від швидкості потоку. Відомо, що вихрові потоки виникають тільки при Re>2320. Тому також необхідно студентам нагадати, що в зоні Д критерій Re<2320. Це свідчить про те, що в цій зоні виникає ламінарний потік рідини, який не перемішує рідини. На цей рух рідини в зоні Д витрачається велика кількість енергії. Щоб з’ясувати яка енергія витрачається при перемішуванні та від чого вона залежить, виникає третє евристичне питання: Яка енергія витрачається на перемішування? В даному випадку необхідно згадати про критерій Ейлера, де
Др – різниця між передньою та задньою стінкою лопаті;
с – густина, кг/м^3;
w – колова швидкість. 
Для того щоб розв’язати задачу, тобто зменшити витрати енергії на перемішування, не змінюючи швидкості вала, необхідно зменшити перепад тиску між передньою та задньою стінкою лопаті. Це можливо тільки за рахунок зміни конструкції апарату. Таким чином, виникає ще одне евристичне питання: Яким чином витрати енергії виключити в зоні  вала? Інформаційною допомогою в даному випадку буде рівняння Др = 0. 
Приклад застосування інтегрованих дидактичних засобів навчально-пізнавальної діяльності студентів для креативного навчання наведено в таблиці.
Таблиця 
Інтегрований дидактичний засіб

Задача: Як зменшити витрати енергії на перемішування?
№ кроку | Евристичне питання | Допоміжна інформація | Технічне рішення

1.

Де в апараті вини-кають  вихрі?

Д

х

або

 щ

2.

Чому не виникають вихрі в зоні вала?

Критерій Рейнольдса: , де
х – середня швидкість потоку, м/с;
d – діаметр апарату;
с – густина потоку, кг/м^3;
з – динамічний коефіцієнт в’язкості рідини
в зоні Д – Re<2320

3.

Яка енергія витра-чається на перемішу-вання?

Критерій Ейлера:, де
Др – різниця між передньою та задньою стінкою лопаті;
с – густина, кг/м^3;
щ – колова швидкість.

4. | Яким чином витрати енергії виключити в зоні вала? | Рівняння: Др = 0 |
Таким чином, одночасне використання евристичних питань, образної та вербальної інформації дозволяє оперативно та ефективно за допомогою інтегрованих дидактичних засобів управляти творчою діяльністю студентів.
Висновки. Розроблено ефективні інтегровані дидактичні засоби управління навчально-пізнавальною діяльністю студентів при розв’язанні творчих технічних задач на основі евристичних питань та образної і вербальної допоміжної інформації.
Перспективами подальших досліджень є розробка методик креативного навчання студентів технічних дисциплін на основі використання інтегрованих дидактичних засобів.

Література
1.	Половинкин А.И. Теория проектирования новой техники: закономерности техники и их применение. – М.: Информэлектро. 1991. – 104 с.
2.	Заёнчик В.М. Основы творческо-конструкторской деятельности: Методы и организация: Учебник для студ. высш. учеб. заведений / В.М.Заёнчик, А.А.Карачёв, В.Е.Шмелёв. – М.: Издательский Центр „Академия”. 2004. – 256 с.
3.	Ричардсон Т.Э. Джон Мысленные образы: Когнитивный поход / Пер. с англ. – М.: „Когито-Центр”. 2006. – 175с.
4.	Навчання студентів процесів та апаратів хімічних виробництв на основі еволюційного підходу. Рубан Н.П. / Збірник наукових праць „Проблеми інженерно-педагогічної освіти” випуск 18-19. – Харків, УІПА. 2007. ст.303-309.
5.	Матюшкин А.М. Мышление, обучение, творчество. – М., Воронеж. 2003. – 720 с.
6.	Стратегії творчої діяльності: школа В.О. Моляко / За загальною редакцією В.О. Моляко. - К.: „Освіта України”. 2008. – 702 с.
7.	Пономарев Я.А. Психология творения. – М., Воронеж, 1999. – 480 с.
8.	Андреев В.И. Педагогика. Учебн. курс для творческого саморазвития. – Казань. 2000. – 180 с.
9.	Лазарєв М.І. Полісистемне моделювання змісту технології навчання загально інженерних дисциплін: Монографія. – Х. 2003. – 356 с.
10.	Хуторской А.В. Дидактическая эвристика. Теория и технология креативного обучения. М.: Изд. МГУ. 2003. – 278 с.
11.	Фридман Л.М., Кулагина И.Ю. Психологический справочник учителя. – Второе издание, дополненное и переработанное. – М.: Изд-во «Совершенство» 1998. - 432с.
12.	Загвязинский В.И. Теория обучения: современная интерпритация. – М.: Академия. 2001. – 192 с.

Рубан Н.П.
Інтегровані дидактичні засоби креативного навчання студентів технічних дисциплін
У статті обґрунтовано та розроблено ефективні інтегровані дидактичні засоби управління навчально-пізнавальною діяльністю студентів при розв’язанні творчих технічних задач на основі евристичних питань та образної і вербальної допоміжної інформації. Приведена структура інтегрованих дидактичних засобів на прикладі технічної дисципліни «Процеси та апарати хімічних виробництв».

Рубан Н.П.
Интегрированные дидактические средства креативного обучения технических дисциплин
В статье обоснованны и разработаны интегрированные дидактичные средства управления учебно-познавательной деятельностью студентов при решении творческих технических задач на основе эвристических вопросов, а также образной и вербальной вспомогательной информации. Приведена структура интегрированных дидактичных средств на примере технической дисциплины «Процессы и аппараты химических производств».

N. Ruban
Method of Creative Teaching Future Engineers to Ttechnical Disciplines
The article analyzes the possibility of the effective use of available methods for creative teaching future engineers to technical disciplines. A method of adaptive students' educational-cognitive activity management for creative technologies of teaching to technical disciplines which reproduces the system of the specialist's professional activities and answers the demands of compliance with nature, has been developed.

Стаття надійшла до редакції 07.07.2008р.