Інженер – з дитинства!

«Ми всі вчилися потроху чого-небудь і як-небудь»,— іронічно зауважив О. Пушкін. Наш сучасник зобов’язаний отримати куди більш серйозні і спеціальні знання, які забезпечують йому вузький, але необхідний професіоналізм і тим самим місце в найскладнішій суспільній структурі. При цьому дуже важливо заздалегідь виявити природні здібності учнів, наприклад їх схильність до винахідництва, до інженерної діяльності.

З більшою чи меншою точністю ми визначаємо наявність таланту або хоча б схильностей до музики, поетичної творчості, малювання. Багатий досвід всіляких математичних шкіл, олімпіад, конкурсів. «Юний математик» – таке визначення стало майже стійким словосполученням. Але «юний інженер»… чули ви таке? Як же відбирати і чому вчити молодих людей, спраглих слідувати стежкою інженера і винахідника? Інженерне мистецтво – схильності до нього ніхто, мабуть, і не думає визначати. Чому?

Активне використання знань і досвіду в суто технічних цілях ось стрижень, на якому тримається саме поняття інженер. Архімед по праву вважається найбільшим інженером античного світу тому, що, створивши теорію важеля, він використовував її, за свідченням древніх, для будівництва грізних військових машин, що наводили страх на римлян, які обложили Сіракузи.

Навіть найпростіша машина органічно поєднує в собі елементи, що мають в основі досягнення різних технічних дисциплін. Наприклад, парова машина Уатта являла собою поєднання досягнень механіки і тільки що народженої тоді теплотехніки. При цьому ККД машини визначався здатністю нагрітої водяної пари виробляти роботу і марним розсіюванням енергії в самій машині.

Геніальність Уатта полягала в умінні раціонально об’єднати добре знайому практикам механічну систему з грізною і таємничою на ті часи стихією пара.

У наш час підхід до машини як єдиної фізико-механічної системи стає вже обов’язковим. При цьому автоматизація управління неминуче включає в поняття «машина» електронні та інші системи, які є аналогами нервів, органів чуття і навіть мозку людини.

Не дивно, що відбір знань з різних областей техніки і формування їх в єдину конструкцію представляє зараз важку проблему. Але і цього мало. Адже нова машина повинна ще гармонійно вписатися в наше життя. Які ж якості необхідні інженеру для вирішення цих специфічних завдань? Спробуємо відповісти на таке складне питання хоча б наближено.

Прийнято вважати, що на відміну від вченого, який мислить узагальненими і сильно ідеалізованими фізичними моделями, мислення інженера засноване головним чином на конкретних технічних схемах. Якщо таке сильно спрощене уявлення вірно хоча б в принципі, то напрошуються такі міркування.

Фізичні моделі, наприклад, модель маятника, нерідко досить прості і описуються всього декількома або навіть одним параметром. Ці моделі перевіряються досвідом і вдосконалюються вченими шляхом штучного відключення побічних факторів і виділення спостережуваного ефекту «в чистому вигляді». Модель такого навмисне перебільшеного явища одновимірна в тому сенсі, що вона містить в собі лише оголену суть якогось фізичного феномена.

Інженерний проект відрізняється від моделі вченого, перш за все, своєю багатовимірністю. Дійсно, розробляючи нову машину або прилад, конструктор зобов’язаний врахувати одночасно безліч факторів, що охоплюють самі різні аспекти виробництва: технологічність, забезпечення технічної переваги, економічну вигоду, вимоги дизайну і т. д. Нетривіальність такої проблеми полягає у вимушеній залежності інженерного рішення від різних за змістом і слабо пов’язаних один з одним параметрів і явищ. При цьому «дрібниці», якими вчений спокійно нехтує, можуть обернутися для інженера вирішальним фактором, що визначає долю всієї конструкції.

Характерний випадок стався при будівництві першого в світі уранового заводу в Окріджі (США). Поставлені прямо на фундамент гігантські, вагою по 14 тонн кожна, вакуумні камери чомусь раптом зрушили зі свого місця, що ледь не призвело до великої аварії. Виною всьому були потужні магніти, змонтовані тут же, поруч. Їх дію, зрозумілу будь-якому школяреві, не врахували фахівці найвищого класу. Позначилася горезвісна інертність інженерного мислення. Монтажникам, привченим до явно виражених механічних навантажень, просто не спало на думку, що джерелом величезних сил може служити невидиме і взагалі не відчутне людиною магнітне поле.

Звідси випливає, що інженер зобов’язаний тримати в полі зору і пов’язувати між собою безліч різнорідних і непорівнянних компонентів рішення. Без особливого перебільшення можна сказати, що успіх діяльності інженера в реальній обстановці обумовлений його здатністю відчувати в якійсь мірі цілісну картину світу.

Ми приходимо до цікавого висновку, що інженера характеризує, як зараз прийнято говорити, системний підхід до задачі, який, з філософської точки зору, є підходом діалектичним. Подібне світовідчуття було характерно ще для давньогрецьких філософів, які розглядали природу як єдине ціле. Але подібний спосіб пізнання пізніше поступився місцем формально-логічному методу завдяки бурхливому розвитку природознавства в XVIII-XIX століттях. Широко поширений тоді експериментальний підхід вимагав аналізу все більшого числа нових, дивовижних, але окремих фактів.

Недосконалість експериментальних методів того періоду дозволяла досліджувати предмети і явища лише в розчленованому, поелементному вигляді. В результаті їх природні зв’язки один з одним не тільки були грубо порушені, але і надовго взагалі зникли з поля зору вчених. Не дивно, що експериментальні докази цих зв’язків, регулярно виявлені, починаючи приблизно з середини XIX століття, розглядалися сучасниками як несподіване і вражаюче підтвердження єдності світу.

Систематичне застосування діалектичного методу в природознавстві почалося по суті лише в минулому столітті, головним чином під впливом новітніх відкриттів у фізиці, астрономії та біології, а також завдяки появі кібернетики, що встановила аналогію в управлінні машинами і діями живих істот.

Однак незважаючи на все це, інженерні дисципліни, що викладаються у вузах, як і раніше штучно роз’єднані. Так, курс «теорії механізмів і машин» все ще ігнорує підхід до машини як фізичної системи, а традиційний виклад курсу «Опір матеріалів» виходить в основному з розрахунку ідеально пружних балок, зводячи до мінімуму сучасні уявлення про міцність, повзучість та інші найважливіші властивості реальних матеріалів. Математичні інженерні дисципліни, в свою чергу, як і раніше відокремлені Китайською стіною від чисто описових «спецпредметів», що викладаються зазвичай на старших курсах. Виправлення цих недоліків – одна з важливих проблем інженерної педагогіки.

Але наука – не єдиний спосіб пізнання природи. Не менш важливим і, у всякому разі, значно давнішим каналом пізнання служить мистецтво, образне сприйняття картини світу. Зауважимо, що в поняття образу вкладається саме цілісність уявлення предмета або явища, засноване на почутті прекрасного. На думку великого німецького фізика М. Планка, таке гармонійне сприйняття світу зустрічається у видатних натуралістів всіх часів — від Піфагора до Бора. Приблизно ту ж думку розвивав і сам Бор. «Причина, чому мистецтво може нас збагатити,— зазначав він, – полягає в його здатності нагадувати нам про гармонію, недосяжну для систематичного аналізу». (Тому дуже важливо, щоб у школі кожна найдрібніша деталь, зокрема шкільні стенди, парти, тощо, все було максимально гармонічно).

Розкриваючи сенс естетичного критерію в науці, французький математик Пуанкаре вказував, що гармонія задовольняє нашим естетичним потребам і служить одночасно підмогою для розуму. З іншого боку, всяка «некрасивість» теорії або гіпотези тут же насторожує. Примітно, що такі в загальному чисто інтуїтивні підозри зазвичай виправдовуються.

Неважко бачити, що прагнення і здатність художника бачити речі в тісному сплетінні з іншими предметами і навколишнім середовищем сильно нагадують інженерний підхід до завдання. Не дарма механіків і винахідників аж до середини XVIII століття іменували художниками! І аж ніяк не випадково найбільший з інженерів людства Леонардо да Вінчі був одночасно і геніальним художником.

Недооцінка естетичного підходу дорого обійшлася свого часу Едісону, який зіграв воістину фатальну роль у становленні американського кіно. Обігнавши братів Люм’єрів в отриманні рухомого зображення і запатентувавши перфоровану кіноплівку, знаменитий винахідник, на жаль, не розгледів головного: культурної та соціальної значущості кінематографа як нового виду мистецтва. У той час як батьки французького кіно афішували і продавали вистави, в яких техніка як би зникала для глядачів, захоплених самим змістом видовища, Едісон наполегливо робив ставку на кінетоскопи, щедро демонструючи їх цікавому натовпу в якості технічного трюку. Вважаючи себе обкраденим Люм’єрами, розлючений метр затіяв нечувану за масштабами патентну склоку, що налічує сотні судових розглядів і апеляцій. Кульмінацією її була воістину Варфоломіївська ніч американського кіно, коли фактично за наказом Едісона поліція Нью-Йорка закрила в один день близько п’ятисот кінозалів!

Ризикнемо зробити несподіваний висновок, цілісне уявлення про світ, значною мірою залишене натуралістами, але збережене в мистецтві, особливо необхідне для сучасного технічного фахівця. Ось чому безглуздість питання «навіщо Шекспір?» стає зараз все більш очевидною, причому від загальних міркувань подекуди перейшли вже до справи. Так, наприклад, шляхом досліджень, проведених американською компанією «Белл», доведена відчутна практична користь «естетичної ін’єкції». Після десятимісячного відриву від роботи і інтенсивного знайомства з шедеврами світового мистецтва загрузлі було в адміністративній рутині менеджери несподівано знайшли спритність, швидкість реакції, рішучість в судженнях, а головне — здатність бачити альтернативу в типових, здавалося б, ситуаціях.

Все це не означає, звичайно, що чоботи в наш час зобов’язаний робити художник. Успіх подібних експериментів, мабуть, пояснюється і таким собі принципом додатковості, а саме інстинктивним прагненням сучасних фахівців до природного сприйняття світу, загубленому в результаті надто інтенсивного поділу праці. Здатність талановитого інженера, з його інстинктивним системним підходом до речей і явищ, добре розбиратися в мистецтві стає вже не даниною престижу, а скоріше професійною ознакою. Якщо це так, то слідує теж несподіваний, але суто практичний висновок — естетична підготовка інженерів повинна знайти своє місце в навчальних програмах.

Які ж інші характерні риси інженера як творця другої, штучної природи? Чи потрібно говорити, що уява і здатність до аналізу та інтуїтивного відбору різних рішень в складній і невизначеній обстановці грає в інженерії не менш важливу роль, ніж в будь-якій іншій творчості. Як і будь-який творчий працівник, конструктор змушений копітко перебирати безліч варіантів, використовуючи прецеденти, аналогії, послідовні наближення, повернення до давно занедбаних схем… Словом, він застосовує масу прийомів, типових для роботи з неясними ідеями. Як і скрізь, тут потрібен талант, ось до чого ж саме?

Відомо, що яскраво виражені здібності до математики і музики проявляються вже в ранньому дитинстві (яскравий приклад Амадей Моцарт), в той час як видатний інженер або, скажімо, лікар гучно заявляє про себе, як правило, в значно більш зрілому віці. Це пояснюють зазвичай вирішальною роллю досвіду, причому не тільки професійного, а й життєвого.

Звідси робиться неправильний, на мій погляд, висновок про те, що якщо математик або музикант — це «від Бога», то «на інженера» в кінці кінців, можна вивчити при бажанні кого завгодно. Був би час. Інакше кажучи, природний талант інженера по суті заперечується. Більше того, якщо до послуг математичних або музичних обдарувань спеціалізовані школи, то школярі з гострим інтересом до техніки можуть розраховувати в кращому випадку лише на самодіяльні «гуртки» з примітивним обладнанням і випадковими ентузіастами на чолі. Окремі щасливі винятки в цій тихій педагогічній заплаві тільки підтверджують правило.

Тим часом немає ніяких підстав сумніватися в існуванні природної інженерної обдарованості. Про це свідчить, зокрема, уважне вивчення біографій великих інженерів, того ж Алви Едісона.

Розмірковуючи на схилі років про підготовку гідної зміни, Едісон не випадково звертав увагу викладачів на важливість «приведення свідомості в контакт з реальними речами». Адже саме ця якість була притаманна йому самому буквально з раннього дитинства, що збіглося, до речі кажучи, з періодом, коли найгостріша конкуренція і підігріта нею біржова лихоманка різко підвищили інтерес американських промисловців до нових технічних ідей. Ще тоді зазубрювання абстрактних знань явно наганяло тугу на допитливого не за віком Алву. З ярликом пересічного «трієчника» і зануди він змушений був раз і назавжди покинути школу і зайнятися самоосвітою.

Інтуїтивний принцип «знати — значить вміти відтворити» наполегливо підштовхував хлопчика на зухвалі, часом прямо-таки відчайдушні досліди. Напхавши довірливого товариша порошками для отримання сельтерської води, юний дослідник терпляче чекав, коли його довірливий асистент наповниться газом і здійметься подібно повітряній кулі. Негайна і цілком справедлива прочуханка – дрібниця в порівнянні з публічною прочуханкою, вчиненою невгамовному шибенику за ненавмисний підпал батьківської комори. Але найтрагічнішим був день, коли перша в житті винахідника лабораторія, обладнана в багажному вагоні поїзда, несподівано запалала і була тут же розгромлена оскаженілим кондуктором.

Події ніяк не влазили в тісні рамки, відміряні їм авторами шкільних підручників. Не дивно, що юному Едісону, одержимому секретами телеграфу і гальванічних елементів, вже було мало однієї тільки фізики або хімії. У його полі зору механіка, астрономія і навіть біологія.

Однак за хитромудрими речами і явищами неминуче виникали люди. Їх судження і вчинки нерідко ставили хлопчиська в глухий кут. І юний Едісон за допомогою матері, яка замінила йому школу, жадібно поглинав разом з пригодницькими романами об’ємисті праці з історії та політики, а заодно тренував пам’ять іспанською та французькою мовами.

У п’ятнадцять років хлопчина викликав подив прагматичних янкі своєю безглуздою різнобічністю. Адже крім «безглуздих дослідів» він видавав ще власну газету, виступаючи одночасно в ролі автора, редактора, складача і хлопчиська-рознощика. У підлітка не вірив ніхто, крім рідної матері. Але ж вже тут проглядала здатність Едісона відразу схоплювати проблему цілком, спираючись на найрізноманітніші галузі науки і практики. Шлях до великих звершень був відкритий, хоча їх майбутньому автору не стукнуло ще й двадцяти років…

Виходить, що інженерна обдарованість може бути виявлена і розвинена ще в шкільні роки. Але яким же чином? Як навчити школярів орієнтуватися в багатовимірному просторі інженерного пошуку і знаходити прийнятну відповідь? Адже критерію, еквівалентного, наприклад, абсолютному музичному слуху, для інженерів поки не існує. У той же час відомі завдання, що дозволяють не тільки об’єктивно оцінити знання математики, а й ступінь математичного таланту. Питається, чи немає аналогічних завдань і для юних техніків і винахідників? Біда в тому, що оскільки сама специфіка інженерної творчості ще далеко не розкрита, то і завдання, пропоновані майбутнім Едісонам, нерідко б’ють повз мету.

Багато з таких завдань, незважаючи на підкреслено технічний ухил, не відрізняються в принципі від звичайних шкільних вправ з фізики та хімії. Досить згадати чергові, що кочують за підручниками застереження типу «тертям знехтувати» або «вважати тіло абсолютно жорстким». Подібні спрощення типові для вченого, який прагне до спільного рішення. Однак завдання інженера багато в чому протилежне. Інженерне рішення вимагає безумовного обліку безлічі різнорідних факторів, в тому числі і тих, які далеко виходять за рамки техніки.

У зв’язку з цим мимоволі згадуються завдання, що публікуються в журналах під рубрикою «психологічний практикум», або їм подібні. Розгадування таких головоломок зводиться до копіткого перебору безлічі варіантів, що і дозволяє врешті-решт замкнути логічний ланцюг і знайти відповідь. Здавалося б, що велика кількість вихідних факторів і передумов зближує подібні завдання з інженерними. Насправді тут в наявності безсумнівна складність; але в одному «вимірі»: вихідні параметри однотипні і рівнозначні. А для інженерних проблем характерний, як ми бачили, зовсім інший, багатовимірний тип складності.

Парадоксальна особливість інженерних задач це поєднання підкреслено конкретного завдання з великою творчою свободою, а отже, і значною невизначеністю у виборі рішення. Якщо наукова істина не залежить від методу або і мірного приладу і вчені уподібнюються альпіністам, що рухаються різними стежками до єдиної вершини, то рішення схожих технічних проблем в конкретних умовах можуть бути зовсім несхожими. Більше того, такі завдання не мають зазвичай однозначного рішення на відміну від шкільних вправ і журнальних головоломок, відповіді на які строго фіксовані.

У зв’язку з цим заслуговує на увагу педагогічний прийом академіка П. Капіци, де фізичне завдання в звичайному розумінні, замінюється маленькою науково-технічною проблемою. Наприклад, учневі пропонується оцінити час, за який замерзне ставок або ж допомогти космонавту вирити яму, перебуваючи в стані невагомості. Тут для вирішення потрібно не тільки застосувати вже відомий прийом, але спочатку знайти цей прийом, спираючись на ті розділи фізики, які всього ближче учню. Ці вправи розраховані на індивідуальний, нестандартний підхід, дозволяють виявити активність і оригінальність мислення. Мислення вже не строго фізичного, але скоріше інженерного.

Неважко бачити, що такі завдання не мають однозначної відповіді. Однак їх невизначеність – наслідок спільності постановки проблеми, а не її конкретності, яка-то якраз і типова для інженерних завдань. Більше того, П. Капіца навмисне уникає вихідних числових даних, вважаючи корисним надати їх вибір самим учням. Тим часом конкретність інженерних завдань якраз і визначається набором чисел, наведених в технічному завданні і таких, що характеризують, до речі, не тільки трудомісткість, але і вартість, головне терміни виконання робіт. Взагалі фактор часу завжди відігравав важливу роль в інженерній психології. Зараз цей фактор набув визначального значення.

Таким чином, для підготовки юних і не зовсім юних інженерів потрібна, мабуть, розробка якогось нового типу навчальних завдань. Згадаймо ситуацію, що виникла в романі Жюля Верна «Таємничий острів».

Потерпілі крах на пустельному острові інженер Сайрус Сміт і його супутники начисто відрізані від зовнішнього світу океаном. Однак в їх розпорядженні зброя та інструменти, підкинуті турботливим капітаном Немо, а також багаті природні ресурси острова. Завдання полягає в тому, щоб вижити в суворих і незвичайних умовах, спираючись на знання інженера і ентузіазм його товаришів.

У цьому завданні, думається, міститься ряд особливостей, типових для інженерних проблем взагалі. Це, перш за все, поєднання конкретності мети з різноманітністю і тому невизначеністю методів її досягнення. Далі, багато з великого числа вихідних параметрів виражені числами. Задані, наприклад, склад групи колоністів, перелік інструментів і зброї, число патронів і навіть далекобійність карабінів. Дещо пізніше стають відомими розміри острова, наявність будівельних матеріалів, руди, тощо. Характерно, нарешті, що рішення, які приймає інженер і його друзі, обмежені стислими термінами, пов’язаними з погодою і кліматом, а також загрозою нападу піратів і хижаків

Про всі ці характерні сторони інженерних завдань вже згадувалося. Існують, однак, ще, щонайменше, дві специфічні ознаки, які хотілося б відзначити особливо. Колоністи на відміну, скажімо, від одинака Робінзона Крузо діють спільно. Подібний груповий метод надзвичайно характерний для інженерної творчості. Відомо, що такий метод застосовувався колись на іспитах у вузах і був відкинутий як антипедагогічний курйоз.

Повернення до цього методу, як не дивно, доцільне. По-перше, тому що дозволяє вдало моделювати реальну обстановку, в якій працює більшість сучасних інженерів. Спеціальні дослідження наукознавців показали, наприклад, що одним із секретів інженерного успіху служить якраз формування творчого осередку не за адміністративним принципом, а під впливом загальної зацікавленості в справі, тобто, так би мовити, природним шляхом. Купка по-своєму яскравих і мужніх, але абсолютно не схожих один на одного людей, що випадково потрапили на острів Лінкольна, згуртовується і організовується в колектив саме за цією ознакою.

Отже, групова технічна гра, що поєднує цілком конкретне завдання з великою свободою творчості. Мало того, вона просто зобов’язана включати в себе практичне випробування різних, в тому числі і ризикованих, рішень. Така колективна вправа технічного чуття і вміння настільки ж необхідна майбутньому інженеру, як постійне тренування спортсмену або регулярна гра музиканту. Адже тільки тут особливо чітко відчутно реальний «опір матеріалу», тобто той самий зворотний зв’язок задуму з його втіленням, який потрібний новатору як повітря. Така «гра» виробляє в майбутньому інженері ще одну найважливішу професійну якість – здатність враховувати і правильно реагувати на різні зміни в обстановці, починаючи від простого коригування вихідного «технічного завдання» і закінчуючи аварійною ситуацією.

У підсумку ми бачимо, що вузький, суто споживчий підхід до технічних завдань несумісний з істинним новаторством. Сила і широта інженерного мислення, що проявляються в здатності охопити проблему у всій її повноті, з урахуванням багатьох непропорційних і суперечливих факторів, що відображають до того ж не тільки технологію, а й культуру, соціальні та етичні особливості суспільства.

Тому не будемо дивуватися тому, що, «вживляючи» новинку в суспільний організм, інженер уподібнюється художнику, здатному оголити приховану гармонію навколишнього світу. І подібно таланту художника, природна схильність до інженерної творчості може бути виявлена з дитинства і розвинена методами, спрямованими «на приведення свідомості в контакт з реальними речами». І людьми, додамо ми.

Автор: А. Сілкін, доктор технічних наук.