Современный этап развития эвристики

Содержание

1. Цели и задачи дисциплины. Основные понятия. 3

2. Современный этап развития эвристики. 9

3. Эвристическая деятельность и ее составляющие. 12

4. Теория эвристических решений. 15

5. Теория решения изобретательских задач. 18

6. Алгоритмы решения изобретательских задач. 36

7. Функционально-стоимостной анализ. 62

8. Информационное обеспечение эвристического поиска. 78

9. Элементарная эвристическая деятельность. 81

10. Структура и основные этапы творческой деятельности. 84

11. Составление и реализация плана решения задачи. 87

12. Характеристики элементов эвристической деятельности. 90

13. Системное применение элементов эвристической деятельности. 93

14. Техническая задача как предмет эвристической деятельности. 96

Цели и задачи дисциплины. Основные понятия.

В истории научных знаний достаточно примеров, когда теоретические понятия с развитием науки наполняются более точным содержанием, порой поглощая исходный термин или существенно изменяя его. Сейчас мы можем говорить об эвристике как о науке, изучающей закономерности построения новых действий в новой ситуации, т.е. организацию продуктивных процессов мышления, на основе которых осуществляется генерирование идей и последовательное повышение их правоподобности. В Древней Греции это слово означало метод обучения, применявшийся Сократом, философом, разработавшим майевтику. Майевтика - это специфический прием установления истины в беседе или споре. Сущность майевтики заключалась в том, что Сократ с помощью искусно поставленных вопросов и полученных ответов последовательно подводил собеседника к истинному умозаключению. Умозаключение - это сложное интеллектуальное действие, т.е. действие, которое может выполняться в уме, на основе внутреннего рассуждения. С помощью умозаключения из нескольких известных данных сознания получают содержание нового знания. Сократ вынуждал собеседника действовать эвристическими методами достижения целей, формулировать понятия, пользоваться силлогизмом.

Таким образом, разработанная Сократом вопросно-ответная форма обучения помогала осуществлять эвристическую деятельность - специфически человеческую форму активного отношения к окружающему миру, в основе которой лежит не только логическое мышление, но и эвристические его формы, направленные на целесообразное преобразование информации, недостижимое логическим путем.

Одновременно с сократовским пониманием эвристики многие ученые древности использовали различные методы нахождения решения проблемы. Эти методы в современном понимании являются эвристическими. Они задействовали в большой степени человеческий интеллект - систему мыслительных способностей человека, стимулировали выполнение интел­лектуальных действий, развивали воображение.

Интеллектуальное действие - это система логических и эвристических правил и операций, с помощью которой осуществляется преобразование имеющейся информации и получение новой. Воображение - это действие мысли, с помощью которого предполагается что-либо относительно предметов.

Архимед, древнегреческий ученый, заложивший основы теории нахождения решения новых задач, прославился разработкой эвристических процедур, в частности, анализа - процесса мысленного или фактического разложения целого на составные части и синтеза - процесса мысленного или фактического воссоединения целого из частей. Искусство решения трудных проблем получило название от ликующего возгласа Архимеда, нашедшего решение задачи: “Эврика! ”.

Уже в Древней Греции были известны многие эвристические приемы. Был разработан способ решения задач от конца (так называемое регрессивное рассуждение), когда предполагается, что задача уже решена и делаются выводы в обратном порядке. Различались два вида анализа: 1) решение " задач на доказательство" и 2) решение «задач на нахождение». В первом случае устанавливали истинные теоремы, во втором - искали неизвестное.

Значительный толчок в направлении научной мысли на изучение эвристической деятельности осуществил французский философ и ученый нового времени Р. Декарт (1596-1650). В математике Декарт совместил методы алгебры и геометрии, в результате чего появилась аналитическая геометрия, создал систему координат, которая получила название декартовой. Продолжая исследования в этой области, Декарт разработал универсальный метод решения задач:

· задача любого вида сводится к математической;

· последняя сводится к алгебраической;

· последняя сводится к решению единственного уравнения.

Этой схеме следуют до сих пор. Так, ученик средней школы этим способом решает словесную задачу.

Немецкий философ нового времени Г. Лейбниц (1646-1716), как и Декарт, занимался обширной научной деятельностью. Его философия науки была направлена на то, чтобы побуждать человека к открытию и изобретению. Многочисленные фрагменты, описывающие организацию творчества, содержатся в его трудах. Это фактически различные эвристические приемы, которые помогают нахождению путей решения новых задач.

Французский ученый А. Сен-Симон (1760-1825) уделял много внимания исследованию сравнения как важного познавательного средства. Он выдвинул идею создания особой науки о сравнении идей, указывая в качестве образца для нее на математику. В XIX в. сравнительный метод получил широкое применение в науках.

Значительный интерес для определения сущности эвристики представляют идеи чешского логика, математика и философа Б. Больцано (1781-1848), изложенные в “Наукоучении”, - его главном логико-философском произведе-нии. В этом сочинении Больцано рассматривает проблемы классической логики, теории познания, эвристики и педагогики. В структуре его произведения, состоящего из пяти больших частей, IV часть озаглавлена “Об искусстве открытия, или Эвристика”. Больцано делает шаг вперед по сравнению с Декартом и Лейбницем, критически развивая идеи предшественников. Он показал, что ссылка на любого рода очевидность (как у Декарта) не может служить доказательством в научном исследовании; все наши заблуждения проистекают из того, что мы неправильно оцениваем вероятности эвристических заключений и часто пользуемся этими заключениями как доказательствами.

Много внимания вопросам эвристики уделял французский математик А. Пуанкаре (1854-1912). Он считал, что, наблюдая за творчеством математика, мы можем проникнуть в самую сущность человеческого ума, изучить психологический механизм творчества. Большое значение Пуанкаре придавал внезапному научному прозрению. Он считал, что прозрению предшествует предварительная бессознательная работа, которая, однако, находится в контексте сознательной работы. Ценность работ по эвристике Пуанкаре в том, что проблемы эвристики им изложены на основе собственного опыта.

Уже в первой половине XX в. появились работы по проблемам эвристической деятельности в определенных научных областях. Так, П.К. Энгельмейер опубликовал “Теорию творчества”, в которой разработал общие вопросы создания целой науки о творчестве - эврологии, подчеркивая единство эвристических и логических начал этой науки. Единый органический процесс творчества Энгельмейер разделял на три качественно отличных акта:

замысел. Этот акт имеет отношение к психологии. Его результат -возникновение гипотезы будущего изобретения. Акт начинается с интуитивного ощущения идеи и заканчивается ее уяснением. Конкретный путь решения приходит к изобретателю внезапно, как мгновенная вспышка;

план. Акт основан на логике, т.к. его результат - логическая схема будущей конструкции;

реальный поступок (изобретатель передает дело мастеру).

Итак, к концу XX в. был сформирован взгляд на эвристику как на науку об интеллектуальном творчестве.

Становление и развитие эвристики как науки, которая возникла на пересечении нескольких научных дисциплин, делает необходимым рассмотрение ее принципиальных связей с ними.

Одной из основных областей традиционных научных исследований эвристической деятельности человека является психология мышления, в которой эвристика выделилась в один из ее разделов. В нем проводятся работы по исследованию природы мыслительных операций человека при решении различных задач независимо от их конкретного содержания и предметной области.

Мышление - сложный познавательный психический процесс. В процессе мышления человек может ставить перед собой задачи, формулировать ответы, выдвигать гипотезы, отроить доказательства, создавать научные теории и изобретения. Можно выделить два вида мышления - интуитивное, основанное на интуиции (интуиция - способность непосредственного достижения возможного результата деятельности без участия целенаправленного логико-эвристического рассуждения) и дискурсивное, основанное на дискурсивном познании (дискурсивное познание - познание, приобретенное логическим путем).

В настоящее время нет теории, удовлетворительно описывающей феноменально сложный процесс мышления, опираясь на которую можно исследовать механизмы организации эвристической деятельности. Из многочисленных попыток найти подход к описанию мышления можно выделить подход, основанный на отождествлении функций мышления и логики. Этот подход основан на изучении законов получения доказательного знания. Доказательство - процедура установления истинности высказывания, логическое действие, в процессе которого истинность одного высказывания устанавливается с помощью других. Такой подход отождествляет мышление с мыслительными операциями, например, дифференциации (разделения целого на части на основе принятого принципа). Недостаток такого подхода, как и многих других, в том, что они не способны описать собственно творческие продуктивные процессы мышления, эвристические процессы. Так, если мы попытаемся описать процесс продуктивного мышления в понятиях традиционной логики, то тонкие элементы творчества станут неосязаемыми и исчезнут. Можно иметь цепь корректных логических связей, но в совокупности они не отражают всей сложности хода мышления, моменты зарождения идей и другие уникальные черты творческого мышления. Это происходит потому, что логические системы можно считать детерминированными системами (детерминированность - определенность), т.е. такими, действие которых однозначно определено приложенным к ним воздействием. Уникальные же творческие процессы подчинены случайностям (стохастические системы). Сейчас уже говорят о нелинейной динамике.

Даже короткий анализ некоторых подходов к пониманию мышления обосновывает вывод, что описание эвристических его качеств невозможно в рамках одной теории. Феноменальная сложность мышления диктует необходимость изучения его различными научными областями и определение через перечисление и описание существенных свойств.

С развитием теории информации и кибернетики многие исследователи стали описывать мышление как процесс переработки информации человеком. Такой подход, естественно, не определяет мышление, а указывает на одно из основных свойств, которое состоит в его познавательной стороне по активному извлечению информации из внешней среды и ее переработке.

Подход к исследованию мышления как интеллектуальной деятельности поставил перед наукой задачу его более формального описания. С этим же было связано обобщение понимания интеллекта как познавательной деятельности любых сложных систем, способных к обучению, целенаправленной переработке информации и саморегулированию. При этом эвристическую деятельность необходимо рассматривать как интеллектуальную деятельность в новой нестандартной ситуации. Это объясняется тем подходом к исследованиям, который реализовала кибернетика.

Отличительной особенностью научного подхода в исследованиях кибернетических систем является то, что был введен принципиально новый метод изучения - математический эксперимент или машинное моделирование, т.е. исследование системы по ее математической модели. Широкое применение искусственного интеллекта (направление исследований, связанное с разработкой методов, позволяющих машине решать “человеческие” задачи), самих ЭВМ и методов машинного моделирования привело к необходимости написания алгоритмов (алгоритм - система однозначных правил, последовательное выполнение которых приводит к решению любой задачи определенного класса, для которого данный алгоритм существует) решения задач на языке ЭВМ, т.е. к написанию алгоритмических программ. В условиях комбинаторного взрыва (ситуация решения задач на ЭВМ, когда возможностей алгоритмического программирования недостаточно) разрабатываются эвристические методы решения задач с применением ЭВМ - на основе законов человеческого мышления (эвристическое программирование).

Эвристические методы не гарантируют получения результатов, оптимальных по какому-нибудь целесообразному критерию. Этим они отличаются от формальных, логически выводимых (алгоритмических) методов. Они могут привести к быстрому и успешному решению проблем в тех случаях, когда имеется опыт решения сходных проблем, что сокращает затраты усилий и время на изучение закономерностей, специфических для данной конкретной проблемы. Существует много различных, успешно применяемых эвристических методов, но возможности программирования искусственного интеллекта все же ограничены, потому что он не способен порождать свои собственные эвристики. Разумность систем искусственного интеллекта оценивается по аналогии с поведением человека в подобных ситуациях, поэтому его исследования проводятся на стыке психологии, лингвистики, философии, социологии, математики и вычислительной техники. Эвристики в литературе по искусственному интеллекту противопоставляются алгоритмическому методу и представляют собой правила, руководствуясь которыми интеллектуальная система движется к цели.

Алгоритмическое и эвристическое программирование как интеллектуальная деятельность соответствует определенным функциям мышления, которые должны развиваться в процессе целенаправленного обучения. Существует мнение, что когда ученики обучаются использованию алгоритмических и эвристических методов, они одновременно обучаются алгоритмическим и эвристическим способам мышления. При этом четкое их разграничение возможно только при их описании. В обучении ее они взаимосвязаны и дополняют друг друга. Эвристические способы мышления позволяют организовать мыслительную деятельность так, чтобы она выводила человека за пределы знаний, достигаемых посредством алгоритмических способов мышления. Целенаправленное обучение эвристическому способу мышления связывает эвристику с педагогикой. Современный этап развития эвристики позволяет не исключать педагогическую эвристику из ее состава, хотя последняя и реализуется как самостоятельная дидактическая система, оптимизирующая развитие эвристических качеств мышления обучаемых.

Современный этап развития эвристики

Современный этап развития эвристики начинается со второй половины XX в. и связан с возникновением кибернетики и необходимостью развития поисковых эвристических систем для научной и изобретательской деятельности. Кибернетика возникает как наука, изучающая общие характеристики процессов и систем управления в технических устройствах, живых организмах и человеческих сообществах. Основными задачами эвристики становятся познание, выделение, описание и моделирование ситуаций, в которых проявляется эвристическая деятельность.

К этому же времени относится появление работ Д.Пойа по педагогике, связанной с эвристикой, подводивших итог ее развития на предыдущем этапе и намечавших перспективы. В работах Пойа впервые рассматривалась необходимость раннего целенаправленного обучения навыкам эвристической деятельности на примере не только математических задач. Под эвристикой теперь стали понимать:

1. Специальные методы творческого решения задач.

2. Организацию процесса продуктивного творческого мышления.

3. Способ написания программ для ЭВМ (эвристическое программирование).

4. Науку, изучающую эвристическую деятельность, специальный раздел науки о мышлении.

5. Специальный метод обучения или коллективного решения проблем.

6. Специальные методы творческого решения задач называются «современными эвристиками».

Из приведенного определения очевидно, что на понимание эвристики как науки на современном этапе большое влияние оказала кибернетика. Акцент исследований стал перемещаться с получения результата на организацию интеллектуальной деятельности для его получения.

Эвристика берет свое начало в психологии мышления. В качестве главного предмета исследования она рассматривает организацию продуктивной интеллектуальной деятельности, основывающейся на мыслительных актах, с помощью которых проходит процесс эвристического поиска. Главным предметом исследования эвристики является изучение способов поиска и формирования информации с их помощью для нахождения решений. Человек, решающий задачу, формирует гипотезы. Гипотеза - прием познавательной деятельности, представляющий собой совокупность предположений о способе достижения цели. На первых этапах ему недостает информации об объектах (предметах мысли). Последующее накопление информации позволяет все более обоснованно предвосхищать путь решения.

Основными задачами эвристики как науки являются:

· познание закономерностей продуктивных процессов на основе психологических особенностей их протекания;

· выделение и описание реальных ситуаций, в которых проявляется эвристическая деятельность человека;

· изучение принципов организации моделей (искусственных объектов, отображающих и воспроизводящих в упрощенном виде основную структуру исследуемого реального в противоположность идеальному объекту) для эвристической деятельности.

Идеальный объект - не существующий реально, но отображающий определенные, как правило - общие, свойства реальных объектов и служащий эвристическим средством для их научного изучения.

Также к задачам современной эвристики относятся:

· фиксация уровней познания объектов, позволяющая описать их строение
и предсказать динамику развития;

· конструирование технических устройств, реализующих законы
эвристической деятельности.

Собственно к эвристическим характеристикам уровней познания можно отнести способность человеческого мышления производить выбор, уменьшаю­щий число возможных вариантов поиска решения задачи. Например, человек способен оперировать абстракциями (абстракция - результат мысленного отвлечения определенных свойств от прочих свойств рассматриваемого объекта), распределять все данные ему в задаче объекты породам и видам и на основании этого отбирать возможные пути решения проблемы.

Род - наиболее общий класс объектов, объединяющий виды. Родовое понятие - общее понятие, в объем которого входят видовые понятия. Такому распределению предшествует абстрагирование видовых признаков (свойств, отличающих объекты одного вида от другого).

Способность осуществлять абстрактный выбор может быть представлена следующей схемой:

Восприятие——Оценка, анализ——Действие

Если подходить к эвристической деятельности как специфической дея­тельности по переработке информации, то можно говорить и о компьютерной эвристике, т.е. о том, что эвристические действия совершает ЭВМ на основе программ, подготовленных человеком.

Эвристическая деятельность человека основана на обобщенном опыте применения удачных стратегий, которые направлены на формирование решений. В одном случае - это средства сокращенного формирования гипотезы с последующим развернутым логическим обоснованием решения, в другом -средства сокращенного поиска области гипотетического решения. В обоих случаях эвристическая деятельность является предметной деятельностью человека, которая аккумулируется в опыте и правилах эвристики на основе обобщений и абстрагирования от конкретных ее проявлений.

Вышеизложенное показывает, что эвристическая деятельность представ­ляет собой на современном этапе сложный и многоплановый вид интеллектуальной деятельности человека, которая в большом объеме проходит скрыто и не поддается объективному исследованию и описанию в рамках одной науки. Так как эвристика - это всегда ответ на сложный вопрос (вопрос - форма мышления, выражающая требование информации относительно некоторого объекта), то любая научная область, которая изучает интеллект человека, обязательно касается определенных сторон организации творческих процессов, куда входит и эвристическая деятельность. Все это обосновывает необходимость построения специальной науки - эвристики - которая базируется на научных достижениях других дисциплин; эта наука, используя свои методы обобщения и исследования, занималась бы изучением специфического качества человеческого интеллекта - эвристической деятельности. Эвристика должна также исследовать и закономерности такой деятельности в технической кибернетике.

В качестве главного предмета исследования современная эвристика рассматривает, конечно, не элементарные операции интеллекта (как, например, распределение объектов по родам и видам), а способы поиска и формирования информации (правда, на основе элементарных операций) для нахождения решений.