Инженер – с детства!

«Мы все учились понемногу чему-нибудь и как-нибудь»,— иронически заметил А. Пушкин. Наш современник обязан получить куда более серьезные и специальные знания, которые обеспечивают ему узкий, но необходимый профессионализм и тем самым место в сложнейшей общественной структуре. При этом очень важно заранее выявить природные способности учеников, например их склонность к изобретательству, к инженерной деятельности.

С большей или меньшей точностью мы определяем наличие таланта или хотя бы склонностей к музыке, поэтическому творчеству, рисованию. Обилен опыт всевозможных математических школ, олимпиад, конкурсов. «Юный математик» — такое определение стало почти устойчивым словосочетанием. Но «юный инженер»… слыхали вы такое? Как же отбирать и чему учить молодых людей, жаждущих следовать тропой инженера и изобретателя? Инженерное искусство — склонности к нему никто, пожалуй, и не думает определять. Почему?

Активное использование знаний и опыта в сугубо технических целях вот стержень, на котором держится само понятие инженер. Архимед по праву считается величайшим инженером античного мира потому, что, создав теорию рычага, он использовал ее, по свидетельству древних, для строительства грозных военных машин, наводивших страх на осаждавших Сиракузы римлян.

Даже самая простая машина органически соединяет в себе элементы, имеющие в основе достижения разных технических дисциплин. Например, паровая машина Уатта представляла собой сочетание достижений механики и только что родившейся тогда теплотехники. При этом КПД машины определялся способностью нагретого водяного пара производить работу и бесполезным рассеянием энергии в самой машине.

Гениальность Уатта заключалась в умении рационально объединить хорошо знакомую практикам механическую систему с грозной и таинственной по тем временам стихией пара.

В наше время подход к машине как единой физико-механической системе становится уже обязательным. При этом автоматизация управления неизбежно включает в понятие «машина» электронные и другие системы, являющиеся аналогами нервов, органов чувств и даже мозга человека.

Неудивительно, что отбор знаний из разных областей техники и формирование их в единую конструкцию представляет сейчас труднейшую проблему. Но и этого мало. Ведь новая машина должна еще гармонически вписаться в нашу жизнь. Какие же качества необходимы инженеру для решения этих специфических задач? Попытаемся ответить на такой сложнейший вопрос хотя бы приближенно.

Принято считать, что в отличие от ученого, который мыслит обобщенными и сильно идеализированными физическими моделями, мышление инженера основано главным образом на конкретных технических схемах. Если такое сильно упрощенное представление верно хотя бы в принципе, то напрашиваются следующие соображения.

Физические модели, например, модель маятника, нередко довольно просты и описываются всего несколькими или даже одним параметром. Эти модели проверяются опытом и совершенствуются учеными путем искусственного отключения побочных факторов и выделения наблюдаемого эффекта «в чистом виде». Модель такого умышленно утрированного явления одномерна в том смысле, что она заключает в себе лишь оголенную суть некоего физического феномена.

Инженерный проект отличается от модели ученого, прежде всего, своей многомерностью. Действительно, разрабатывая новую машину или прибор, конструктор обязан учесть одновременно множество факторов, охватывающих самые различные аспекты производства: технологичность, обеспечение технического превосходства, экономическую выгоду, требования дизайна и т. д. Нетривиальность такой проблемы состоит в вынужденной зависимости инженерного решения от различных по смыслу и слабо связанных друг с другом параметров и явлений. При этом «мелочи», которыми ученый спокойно пренебрегает, могут обернуться для инженера решающим фактором, определяющим судьбу всей конструкции.

Характерный случай произошел при строительстве первого в мире уранового завода в Окридже (США). Поставленные прямо на фундамент гигантские, весом по 14 тонн каждая, вакуумные камеры почему-то вдруг сдвинулись со своего места, что едва не привело к крупной аварии. Виною всему были мощные магниты, смонтированные тут же, рядом. Их действие, понятное любому школьнику, не учли специалисты самого высокого класса. Сказалась пресловутая инертность инженерного мышления. Монтажникам, приученным к явно выраженным механическим нагрузкам, просто не пришло в голову, что источником огромных сил может служить невидимое и вообще не ощущаемое человеком магнитное поле.

Отсюда следует, что инженер обязан держать в поле зрения и увязывать между собой множество разнородных и несоизмеримых компонентов решения. Без особого преувеличения можно сказать, что успех деятельности инженера в реальной обстановке обусловлен его способностью ощущать в какой-то мере целостную картину мира.

Мы приходим к любопытному выводу, что инженера характеризует, как сейчас принято говорить, системный подход к задаче, который, с философской точки зрения, является подходом диалектическим. Подобное мироощущение было характерно еще для древнегреческих философов, рассматривавших природу как единое целое. Но подобный способ познания позже уступил место формально-логическому методу благодаря бурному развитию естествознания в XVIII — XIX веках. Широко распространившийся тогда экспериментальный подход требовал анализа все большего числа новых, удивительных, но отдельных фактов.

Несовершенство экспериментальных методов того периода позволяло исследовать предметы и явления лишь в расчлененном, поэлементном виде. В результате их естественные связи друг с другом не только были грубо нарушены, но и надолго вообще исчезли из поля зрения ученых. Неудивительно, что экспериментальные доказательства этих связей, регулярно обнаруживаемые, начиная примерно с середины XIX века, рассматривались современниками как неожиданное и поразительное подтверждение единства мира.

Систематическое применение диалектического метода в естествознании началось по существу лишь в прошлом веке, главным образом под влиянием новейших открытий в физике, астрономии и биологии, а также благодаря появлению кибернетики, установившей аналогию в управлении машинами и действиями живых существ.

Однако несмотря на все это, инженерные дисциплины, преподаваемые во вузах, по-прежнему искусственно разобщены. Так, курс «Теории механизмов и машин» все еще игнорирует подход к машине как физической системе, а традиционное изложение курса «Сопротивление материалов» исходит в основном из расчета идеально упругих балок, сводя к минимуму современные представления о прочности, ползучести и других важнейших свойствах реальных материалов. Математические инженерные дисциплины, в свою очередь, по-прежнему отделены китайской стеной от чисто описательных «спецпредметов», преподаваемых обычно на старших курсах. Исправление этих недостатков — одна из важных проблем инженерной педагогики.

Но наука — не единственный способ познания природы. Не менее важным и, во всяком случае, значительно более древним каналом познания служит искусство, образное восприятие картины мира. Заметим, что в понятие образа вкладывается именно цельность представления предмета или явления, основанное на чувстве прекрасного. По мнению великого немецкого физика М. Планка, такое гармоническое восприятие мира встречается у выдающихся естествоиспытателей всех времен — от Пифагора до Бора. Примерно ту же мысль развивал и сам Бор. «Причина, почему искусство может нас обогатить,— отмечал он,— заключена в его способности напоминать нам о гармониях, недосягаемых для систематического анализа».

Раскрывая смысл эстетического критерия в науке, французский математик Пуанкаре указывал, что гармония удовлетворяет нашим эстетическим потребностям и служит одновременно подспорьем для ума. С другой стороны, всякая «некрасивость» теории или гипотезы тут же настораживает. Примечательно, что такие в общем-то чисто интуитивные подозрения обычно оправдываются.

Нетрудно видеть, что стремление и способность художника видеть вещи в тесном сплетении с другими предметами и окружающей средой сильно напоминают инженерный подход к задаче. Не зря механиков и изобретателей вплоть до середины XVIII века именовали художниками! И отнюдь не случайно величайший из инженеров человечества Леонардо да Винчи был одновременно и гениальным художником.

Недооценка эстетического подхода дорого обошлась в свое время Эдисону, сыгравшему поистине роковую роль в становлении американского кино. Обогнав братьев Люмьеров в получении движущегося изображения и запатентовав перфорированную кинопленку, знаменитый изобретатель, увы, не разглядел главного: культурной и социальной значимости кинематографа как нового вида искусства. В то время как отцы французского кино афишировали и продавали спектакли, в которых техника как бы исчезала для зрителей, захваченных самим содержанием зрелища, Эдисон упорно делал ставку на кинетоскопы, щедро демонстрируя их любопытной толпе в качестве технического трюка. Посчитав себя обворованным Люмьерами, разъяренный мэтр затеял неслыханную по масштабам патентную склоку, насчитывающую сотни судебных разбирательств и апелляций. Кульминацией ее была поистине варфоломеевская ночь американского кино, когда фактически по приказу Эдисона полиция Нью-Йорка закрыла в один день около пятисот кинозалов!

Рискнем сделать неожиданный взвод, цельное представление о мире, в значительной мере оставленное естествоиспытателями, но сохранившееся в искусстве, особенно необходимо для современного технического специалиста. Вот почему нелепость вопроса «зачем производству Шекспир?» становится сейчас все более очевидной, причем от общих рассуждений кое-где перешли уже к делу. Так, к примеру, путем исследований, проведенных американской компанией «Белл», доказана ощутимая практическая польза «эстетической инъекции». После десятимесячного отрыва от работы и интенсивного знакомства с шедеврами мирового искусства погрязшие было в административной рутине менеджеры неожиданно обрели прыть, быстроту реакции, решительность в суждениях, а главное — способность видеть альтернативу в избитых, казалось бы, ситуациях.

Все это не означает, конечно, что сапоги в наше время обязан тачать художник. Успех подобных экспериментов, по-видимому, объясняется и неким принципом дополнительности, а именно инстинктивным стремлением современных специалистов к естественному восприятию мира, утерянному в результате чересчур интенсивного разделения труда. Способность талантливого инженера, с его инстинктивным системным подходом к вещам и явлениям, хорошо разбираться в искусстве становится уже не данью престижу, а скорее профессиональным признаком. Если это так, то следует тоже неожиданный, но сугубо практический вывод — эстетическая подготовка инженеров должна найти свое место в учебных программах.

Каковы же другие характерные черты инженера как творца второй, искусственной природы? Нужно ли говорить, что воображение и способность к анализу и интуитивному отбору различных решений в сложной и неопределенной обстановке играет в инженерии не менее важную роль, чем в любом другом творчестве. Как и любой творческий работник, конструктор вынужден кропотливо перебирать множество вариантов, используя прецеденты, аналогии, последовательные приближения, возврат к давно заброшенным схемам… Словом, он применяет массу приемов, типичных для работы с неясными идеями. Как и везде, здесь нужен талант, вот к чему же именно?

Известно, что ярко выраженные способности к математике и музыке проявляются уже в раннем детстве (яркий пример Амадей Моцарт), в то время как выдающийся инженер или, скажем, врач громогласно заявляет о себе, как правило, в значительно более зрелом возрасте. Это объясняют обычно решающей ролью опыта, причем не только профессионального, но и житейского.

Отсюда делается неправильный, на мой взгляд, вывод о том, что если математик или музыкант — это «от Бога», то «на инженера» в конце концов, можно выучить при желании кого угодно. Было бы время. Иначе говоря, природный талант инженера по существу отрицается. Больше того, если к услугам математических или музыкальных дарований специализированные школы, то школьники с острым интересом к технике могут рассчитывать в лучшем случае лишь на самодеятельные «кружки» с примитивным оборудованием и случайными энтузиастами во главе. Отдельные счастливые исключения в этой тихой педагогической заводи только подтверждают правило.

Между тем нет никаких оснований сомневаться в существовании природной инженерной одаренности. Об этом свидетельствует, в частности, внимательное изучение биографий великих инженеров, того же Алвы Эдисона.

Размышляя на склоне лет о подготовке достойной смены, Эдисон не случайно обращал внимание преподавателей на важность «приведения сознания в контакт с реальными вещами». Ведь именно это качество было присуще ему самому буквально с раннего детства, совпавшего, кстати говоря, с периодом, когда острейшая конкуренция и подогреваемая ею биржевая лихорадка резко повысили интерес американских промышленников к новым техническим идеям. Еще тогда зазубривание отвлеченных знаний явно нагоняло тоску на пытливого не по возрасту Алву. С ярлыком заурядного «троечника» и зануды он вынужден был раз и навсегда покинуть школу и заняться самообразованием.

Интуитивный принцип «знать — значит уметь воспроизвести» настойчиво подталкивал мальчика на дерзкие, порою прямо-таки отчаянные опыты. Напичкав доверчивого товарища порошками для получения сельтерской воды, юный исследователь терпеливо ждал, когда его доверчивый ассистент наполнится газом и воспарит подобно воздушному шару. Незамедлительная и вполне справедливая трепка — пустяк по сравнению с публичной поркой, учиненной неугомонному сорванцу за неумышленный поджог отцовского амбара. Но самым трагическим был день, когда первая в жизни изобретателя лаборатория, оборудованная в багажном вагоне поезда, неожиданно воспламенилась и была тут же разгромлена взбешенным кондуктором.

События никак не влезали в тесные рамки, отмеренные им авторами школьных учебников. Неудивительно, что юному Эдисону, одержимому секретами телеграфа и гальванических элементов, уже было мало одной только физики или химии. В его поле зрения механика, астрономия и даже биология.

Однако за хитроумными вещами и явлениями неизбежно возникали люди. Их суждения и поступки нередко ставили мальчишку в тупик. И юный Эдисон с помощью матери, заменившей ему школу, жадно поглощал вместе с приключенческими романами объемистые труды по истории и политике, а заодно тренировал память на испанском и французском языках.

В пятнадцать лет парнишка вызывал недоумение прагматичных янки своей нелепой разносторонностью. Ведь кроме «дурацких опытов» он издавал еще собственную газету, выступая одновременно в роли автора, редактора, наборщика и мальчишки-разносчика. В подростка не верил никто, кроме родной матери. А ведь уже здесь проглядывала способность Эдисона сразу схватывать проблему целиком, опираясь на самые различные области науки и практики. Путь к великим свершениям был открыт, хотя их будущему автору не стукнуло еще и двадцати лет…

Выходит, что инженерная одаренность может быть выявлена и развита еще в школьные годы. Но каким же образом? Как научить школьников ориентироваться во многомерном пространстве инженерного поиска и находить приемлемый ответ? Ведь критерия, эквивалентного, например, абсолютному музыкальному слуху, для инженеров пока не существует. В то же время известны задачи, позволяющие не только объективно оценить знание математики, но и степень математического таланта. Спрашивается, нет ли аналогичных задач и для юных техников и изобретателей? Беда в том, что поскольку сама специфика инженерного творчества еще далеко не раскрыта, то и задачи, предлагаемые будущим Эдисонам, нередко бьют мимо цели.

Многие из таких задач, несмотря на подчеркнуто технический уклон, не отличаются в принципе от обычных школьных упражнений по физике и химии. Достаточно вспомнить дежурные, кочующие по учебникам оговорки типа «трением пренебречь» или «считать тело абсолютно жестким». Подобные упрощения типичны для ученого, стремящегося к общему решению. Однако задача инженера во многом противоположна. Инженерное решение требует безусловного учета множества разнородных факторов, в том числе и тех, которые далеко выходят за рамки техники.

В связи с этим невольно вспоминаются задачи, публикуемые в журналах под рубрикой «Психологический практикум», или им подобные. Разгадывание таких головоломок сводится к кропотливому перебору множества вариантов, что и позволяет в конце концов замкнуть логическую цепь и найти ответ. Казалось бы, что обилие исходных факторов и предпосылок сближает подобные задачи с инженерными. На самом деле здесь налицо несомненная сложность; но в одном «измерении»: исходные параметры однотипны и равнозначны. А для инженерных проблем характерен, как мы видели, совсем иной, многомерный тип сложности.

Парадоксальная особенность инженерных задач это сочетание подчеркнуто конкретного задания с большой творческой свободой, а следовательно, и значительной неопределенностью в выборе решения. Если научная истина не зависит от метода или и мерительного прибора и ученые уподобляются альпинистам, движущимся разными тропами к единой вершине, то решения похожих технических проблем в конкретных условиях могут быть совсем непохожими. Больше того, такие задачи не имеют обычно однозначного решения в отличие от школьных упражнений и журнальных головоломок, ответы на которые строго фиксированы.

В этой связи заслуживает внимания педагогический прием академика П. Капицы, где физическая задача в обычном понимании, заменяется маленькой научно-технической проблемой. Например, учащемуся предлагается оценить время, за которое замерзнет пруд или же помочь космонавту вырыть яму, находясь в состоянии невесомости. Здесь для решения требуется не только применить уже известный прием, но сначала найти этот прием, опираясь на те разделы физики, которые всего ближе учащемуся. Эти упражнения рассчитаны на индивидуальный, нестандартный подход, позволяют выявить активность и оригинальность мышления. Мышления уже не строго физического, но скорее инженерного.

Нетрудно видеть, что такие задачи не имеют однозначного ответа. Однако их неопределенность — следствие общности постановки проблемы, а не ее конкретности, которая-то как раз и типична для инженерных задач. Больше того, П. Капица умышленно избегает исходных числовых данных, считая полезным предоставить их выбор самим обучающимся. Между тем конкретность инженерных задач как раз и определяется набором чисел, приведенных в техническом задании и характеризующих, кстати, не только трудоемкость, но и стоимость, главное сроки выполнения работ. Вообще фактор времени всегда играл важную роль в инженерной психологии. Сейчас этот фактор приобрел определяющее значение.

Таким образом, для подготовки юных и не совсем юных инженеров требуется, по-видимому, разработка какого-то нового типа учебных задач. Вспомним ситуацию, возникшую в романе Жюля Верна «Таинственный остров».

Потерпевшие крушение и оказавшиеся на пустынном острове инженер Сайрус Смит и его спутники начисто отрезаны от внешнего мира океаном. Однако в их распоряжении оружие и инструменты, подброшенные заботливым капитаном Немо, а также богатые природные ресурсы острова. Задача состоит в том, чтобы выжить в суровых и необычных условиях, опираясь на знания инженера и энтузиазм его товарищей.

В этой задаче, думается, содержится ряд особенностей, типичных для инженерных проблем вообще. Это, прежде всего, сочетание конкретности цели с разнообразием и поэтому неопределенностью методов gее достижения. Далее, многие из большого числа исходных параметров выражены числами. Заданы, например, состав группы колонистов, перечень инструментов и оружия, число патронов и даже дальнобойность карабинов. Несколько позже становятся известными размеры острова, наличие строительных материалов, руды и т. д. Характерно, наконец, что решения, которые принимает инженер и его друзья, ограничены сжатыми сроками, связанными с погодой и климатом, а также угрозой нападения пиратов и хищников

Обо всех этих характерных сторонах инженерных задач уже упоминалось. Существуют, однако, еще, по меньшей мере, два специфических признака, которые хотелось бы отметить особо. Колонисты в отличие, скажем, от одиночки Робинзона Крузо действуют сообща. Подобный групповой метод чрезвычайно характерен для инженерного творчества. Известно, что такой метод применялся когда-то на экзаменах в вузах и был отвергнут как антипедагогический курьез.

Возврат к этому методу, как ни удивительно, целесообразен. Во-первых, потому что позволяет удачно моделировать реальную обстановку, в которой трудится большинство современных инженеров. Специальные исследования науковедов показали, например, что одним из секретов инженерного успеха служит как раз формирование творческой ячейки не по административному принципу, а под влиянием общей заинтересованности в деле, то есть, так сказать, естественным путем. Кучка по-своему ярких и мужественных, но совершенно не похожих друг на друга людей, случайно попавших на остров Линкольна, сплачивается и организуется в коллектив именно по этому признаку.

Итак, групповая техническая игра, сочетающая вполне конкретное задание с большой свободой творчества. Мало того, она просто обязана включать в себя практическое опробование различных, в том числе и рискованных, решений. Такое коллективное упражнение технического чутья и умения столь же необходимо будущему инженеру, сколь постоянная тренировка спортсмену или регулярная игра музыканту. Ведь только здесь особенно четко ощутимо реальное «сопротивление материала», то есть та самая обратная связь замысла с его воплощением, которая нужна новатору как воздух. Такая «игра» вырабатывает в будущем инженере еще одно важнейшее профессиональное качество — способность учитывать и правильно реагировать на различные изменения в обстановке, начиная от простой корректировки исходного «технического задания» и кончая аварийной ситуацией.

В итоге мы видим, что узкий, сугубо потребительский подход к техническим задачам несовместим с истинным новаторством. Сила и широта инженерного мышления проявляются в способности охватить проблему во всей ее полноте, с учетом многих несоразмерных и противоречивых факторов, отражающих к тому же не только технологию, но и культуру, социальные и этические особенности общества.

Поэтому не будем удивляться тому, что, «вживляя» новинку в общественный организм, инженер уподобляется художнику, способному обнажить скрытую гармонию окружающего мира. И подобно таланту художника, природная склонность к инженерному творчеству может быть выявлена с детства и развита методами, направленными «на приведение сознания в контакт с реальными вещами». И людьми, добавим мы.

Автор: А. Силкин, доктор технических наук.