| МЕТОДИЧЕСКИЙ ЛЕКТОРИЙ |
Творчество исследователя:
достижимый рубеж или
«синяя птица»?
Творчество – понятие многогранное. В него входят и актерское мастерство, и писательские способности, и деятельность художника, и создание нового музыкального произведения. Подготовка учителем нестандартного, увлекательного урока, на котором ученики забывают о времени и не слышат звонка на перемену, – это тоже творчество. Наконец, будни ученого: сбор фактов, выдвижение объясняющей их гипотезы, проведение экспериментов, подтверждающих гипотезу и приводящих к формулировке теории, ее проверка, попытка объяснить новые факты, не укладывающиеся в новую теорию, – это научное творчество.
Химия, как и любая другая наука, требует от человека, который ею занимается, творческого подхода к процессу исследования, ко всем сторонам деятельности в этой области – будь то изучение только что синтезированных соединений, внедрение в практику новой технологии или преподавание химических дисциплин.
Какие же качества необходимы человеку в исследовательском творчестве? Можно ли каждому стать исследователем, творческим человеком, или это удел избранных? На что нужно обратить внимание как педагогам, так и самим юным исследователям, стремящимся стать не только профессионалами, но и успешными современными людьми?
Как, наверное, и в любой другой области, для успеха здесь необходимы врожденные способности или талант (который, конечно, нужно развивать и совершенствовать) и чисто ремесленные навыки, т.е. навыки физической и умственной работы. Только тогда можно говорить о состоявшемся исследователе.
В чем заключаются талант и ремесло исследователя? Творческий научный процесс – дело, прежде всего, индивидуальное. Все качества, определяющие высокие способности исследователя, достоверно перечислить невозможно, но некоторые можно определить с большой вероятностью.
Сразу хочется сказать: нужны хорошая память и быстрая сообразительность. Так ли это? Из исторических примеров ясно, что эти способности мало влияют на творческий потенциал человека. А.Эйнштейн не блистал подобными качествами. Й.Я.Берцелиус окончил гимназию и получил аттестат для поступления в университет, в котором говорилось, что «молодой человек с хорошими природными задатками, но с плохим нравом и сомнительными надеждами». Ю.Либиху и Д.И.Менделееву никак не давалась латынь, требовавшая хорошей памяти… Примеров можно приводить много. Для исследователя важным компонентом таланта является глубина мышления, способность додумывать и дорабатывать вопрос до конца, методично спрашивать себя «почему?» и искать ответ. Не следует только смешивать быстроту мысли с глубиной. Бывает так, что люди с быстрым мышлением поверхностны, а тугодумы медленно, но все додумывают до конца. Многие выдающиеся ученые не обладали быстротой мысли. Характерен такой пример. У одного холостяка жили кошка и котенок. Чтобы они не мешали спать, он проделал в двери дырки – большую для кошки и маленькую для котенка. Когда ему сказали, что котенок пролез бы и в большую, он ответил: «Как это я не догадался!» В этом случае не было бы ничего удивительного, если бы этим человеком не был И.Ньютон [1].
Другим важным качеством исследователя является критическое мышление, которое предполагает самостоятельность и непредвзятость мысли и недоверие догмам. Ученый должен быть скептиком. Однако в нас живет привычка к устоявшимся теориям и понятиям. Привычное, даже очень сложное, кажется простым и верным. В химии 100 лет господствовала теория флогистона, утверждающая, что при горении вещества выделяется некий флюид – флогистон. Опыты, утверждающие, что масса прокаленного металла увеличивается, а не уменьшается, не могли сломить привычку. Вместо того чтобы искать принципиально новую идею, ученые стремились приспособить «неудобный» факт к старой теории и готовы были даже предположить, что флогистон имеет отрицательную массу… Так продолжалось до появления кислородной теории А.Л.Лавуазье.
Исследователь не должен иметь предвзятого мнения. Человек с предвзятым мнением не видит фактов, которые не хочет видеть. «Всегда в сомнительных вопросах невежда верит, полузнайка решает, а человек образованный исследует» [2].
Критичность и самостоятельность мышления формируются с детства. В школе сегодня много способных учеников, и их условно можно разделить на «отличников» и «независимых» школьников. Отличники имеют обширные знания по всем предметам, часто побеждают в олимпиадах и интеллектуальных играх (например, «Умницы и умники»). Они старательны и в будущем станут хорошими работниками, смогут решить любую штатную задачу, но далеко не всегда становятся по-настоящему творческими людьми, способными к смелым и нетривиальным шагам. Другие, которых мы отнесли к группе «независимых», не всегда благополучны в учебе. Отметки их не интересуют, их поступки часто выглядят как результат лени или безответственности. Они могли бы подготовить сочинение или решить задачу, но почему-то этого не сделали, хотя родители видели, что весь вечер их ребенок сидел за книгой. «Он что-то учит целыми днями, за что “2”?» – возмущаются они. Секрет же в том, что «независимые» заняты своими мыслями, самоучением и самообразованием, а лень проявляется только по отношению к тому, что сегодня не входит в круг их интересов. Профессор математики в Цюрихе Г.Минковский в письме к М.Борну выразил крайнее удивление, что Альберт Эйнштейн мог сделать в науке что-либо путное: «ведь раньше он был настоящим лентяем». Конечно, и среди отличников есть самостоятельно думающие люди, но почему-то их меньше…
Поэтому можно утверждать, что главное качество будущих гениев – самостоятельность. Именно в этом секрет того парадокса, когда неуспешные в плане отметок ученики становятся учеными. Поэтому учителю очень важно работать с мыслью о том, чтобы сделать свое участие в интеллектуальном труде школьника минимальным, сократить свое вмешательство, взамен которого рекомендуется наблюдение в чистой форме. Нет ничего важнее, чем приучать ученика к самостоятельному образу мышления.
Еще одно непременное качество, которое мы отнесем к таланту, – трудолюбие и одержимость наукой. Томасу Эдисону принадлежит знаменитая фраза: «В гениальности – девяносто девять процентов труда и один процент вдохновения». Есть труд – необходимость, бремя. Его Менделеев относил к работе. А есть труд, который приносит удовлетворение и радость, когда не замечаешь времени и потраченных сил. Причина этому – любопытство, увлеченность исследователя.
Есть у меня один знакомый молодой человек, который любит компьютерные стратегии, однако его мама строго следит за тем, чтобы он сидел за компьютером не больше двух часов в день. Молодой человек признавался, что он думает об игре целый день и даже во сне, а за два часа только реализует придуманное. Можно сказать, что он играет почти круглосуточно. Так и исследователь думает о предмете изучения практически постоянно. Мысль, обдумывание его завораживают – это интересно и увлекательно, а решающее озарение может прийти в любой момент. И не важно, что окажется «последней каплей» – не в ней дело.
Кстати, на тему «последней капли» в истории науки ходит немало легенд, иногда создаваемых самими учеными. Например, в некоторых книгах можно прочитать, что Менделеев увидел прообраз периодической системы во сне (хотя подтверждения этому нет ни в одном документе), Ньютону помогло яблоко. А.Кекуле рассказывал об открытии циклической формулы бензола как о яркой вспышке: закрыл глаза у камина – обезьянки кружились перед глазами, одна ухватила другую за хвост… Другая история – озарение появилось во время отдыха на колесе обозрения. Третья история связана с судебным процессом. Кекуле был невольным свидетелем пожара, в котором погибла графиня Герлиц. В деле фигурировало красивое кольцо – переплетенные золотая и платиновая змеи. Эти змеи навеяли идею строения бензола. Все версии представлены самим Кекуле в разное время и при разных обстоятельствах. Это говорит только о том, что мысль о строении бензола не покидала его долго, а когда пришло решение – не так уж и важно.
Всех крупных ученых отличало то, что они работали на передовом рубеже науки и над наиболее актуальными проблемами. Как-то Э.Резерфорду сказали: «Вы всегда на гребне волны», на что тот ответил: «Да, но эту волну поднимаю я сам». Работая над важной и значительной проблемой, пусть и не решая ее полностью, а делая лишь первый шаг, исследователь оставляет значительный след. При изучении же заштатной проблемы даже работа, завершившаяся полным успехом, остается незамеченной. В том-то и заключается талант исследователя, чтобы найти главное звено, и помогает в этом интуиция. Иногда проблема кажется малозначащей, но проходит время, и работа приобретает первостепенное значение; впрочем, бывает и наоборот…
Над одними открытиями ученые работают десятилетиями, а другие происходят как бы «случайно». Случайность – это непознанная необходимость. Явление, кажущееся случайным, становится закономерным, как только станут понятны породившие его причины. «Случайные открытия совершают только подготовленные умы», – мудро заметил Б.Паскаль. Приведу только один пример.
В 1780 г. врач Луиджи Гальвани из Италии был увлечен чем-то своим, когда его ассистент случайно коснулся пинцетом бедра препарированной лягушки, одновременно была извлечена искра в электрофорной машине другим ассистентом, и жена ученого Лючия привлекла внимание мужа к пошевелившейся лапке. Гальвани не сам обнаружил «животное электричество», как он его назвал, но испытал «до невероятности страстное желание» исследовать новый факт, хотя чаще мы отмахиваемся от того, что отвлекает нас от сиюминутной работы. Далее шли годы исследований, а лягушки с тех пор стали мучениками науки.
Важным качеством, которое можно отнести к таланту, является логическое мышление. Ему можно и научиться – в вузах успешно изучается предмет «Логика», и тогда это ремесленный навык. Но речь идет об особой логике, которая помогает найти простое и эффектное решение, от гипотезы через доказательство привести к новой теории.
Уже с древних времен философы знали, что одним из главных принципов является простота. Все фундаментальные законы природы выражаются простыми формулами. Мудрствование – враг мудрости. Большинство фундаментальных уравнений включают не более трех членов. Это уравнения Ньютона, Максвелла, формулы Планка, Эйнштейна. Правда, за простым внешним видом этих уравнений кроется глубокий физический смысл.
Важно довести свое открытие до логического конца, т.е. до объясняющей это явление теории. Иногда это приходится делать не одному ученому. М.В.Ломоносов первым сформулировал закон сохранения массы вещества и проиллюстрировал его, но Лавуазье на основании этого закона создал кислородную теорию. Сделав важный шаг в науке, Ломоносов не довел свое открытие до логического конца, оно не стало открытием, изменившим научные представления в XVIII в. Этому есть объективные и субъективные причины: он не оставил учеников и продолжателей своего дела в России, не утвердил контакты с мировой наукой, только в XX в. Б.Н.Меншуткин перевел его работы по физике и химии с латинского на русский язык и заново открыл великого ученого для потомков. Доказательству мешало и слабое развитие техники. Так, вакуум, достаточный для проверки гипотезы Ломоносова, в России того времени получить было невозможно [3]. В учебнике Лавуазье «Начальный учебник химии, изложенный в новом порядке, согласно новым открытиям» на 41-й странице в главе «Винокурение» дается формулировка закона сохранения массы вещества без ссылок на авторство. После выхода книги открытие закона сохранения массы веществ стали связывать с именем Лавуазье. На основе этого закона он построил кислородную теорию, которая низвергла теорию флогистона и явилась истинным прорывом в химии. Впрочем, нам кажется, что целесообразно было бы считать автором закона сохранения массы веществ и Ломоносова, и Лавуазье.
Осмыслить свое открытие и доказать его справедливость помогает уверенность в своих силах, вера в свое предназначение.
Зависимость атомной массы и свойств простых веществ и их соединений отмечалась многими учеными, но смелые предсказания на этот счет смог сделать только Менделеев. Иногда для отстаивания своих результатов и теорий ученому нужна не просто уверенность в себе, но и решительность, бескомпромиссность, граничащая с подвигом.
Одна из участниц Всероссийского конкурса исследовательских работ школьников, посвященного 175-летию Д.И.Менделеева, задалась вопросом: «Можно ли считать открытие Менделеева подвигом?» Подвиг – это геройский, самоотверженный поступок, это всегда риск. Чем рисковал Менделеев? Раскрывая эту тему, она выяснила, что он рисковал репутацией молодого, подающего надежды ученого, объявив всему миру, что нужно исправить атомные веса порядка 20 элементов (у бериллия, например, с 13,5 на 9), т.к. они были измерены неточно; он также указал на неоткрытые элементы и описал, какими должны быть их свойства. Уверенность в себе позволила Менделееву сделать рискованный шаг и получить признание. Лотар Мейер, который также говорил о зависимости свойств элементов от атомной массы, не смог сделать такие дальновидные предположения: «В 1869 г., раньше, чем я высказал свою мысль о периодичности свойств элементов, появился реферат статьи Менделеева… Это все было опубликовано Менделеевым до меня и вообще впервые. Я открыто сознаюсь, что у меня не хватило смелости для таких дальновидных предположений, какие с уверенностью высказал Менделеев» [4].
Противоположный пример дает история химии в лице А.Купера. Купер был практикантом у Ш.Вюрца, когда написал статью «О новой химической теории». Согласно его представлениям, углеродные атомы могут соединяться друг с другом с помощью одной или нескольких из четырех валентных связей, образуя длинные цепи – прямые и разветвленные. Купер попросил Вюрца передать статью в Парижскую академию наук. Вюрц не спешил делать это, т.к. не разделял взгляды своего практиканта. В это время появилась статья Кекуле «О конституции и превращении химических соединений и о химической природе углерода». Купер был взбешен, надерзил Вюрцу и был вынужден оставить его лабораторию. В письме к другу он писал, что сделал открытие, на которое претендует профессор Кекуле. Куперу было 28 лет, когда от переживаний его настигло сильное нервное расстройство, и остальные 34 года жизни он провел как беспомощное существо. Купер умер для науки, хотя мог бы прийти к теории химического строения даже раньше А.М.Бутлерова.
Пора сказать и о некоторых качествах, относящихся к ремеслу исследователя, т.е. качествах, которых нет изначально, но их можно приобретать самостоятельно. Прежде всего, это знания и эрудиция. Не требует доказательств, что без знаний просто невозможно быть исследователем. Знания, эрудиция абсолютно необходимы. «Пустая голова не мыслит», – говорил К.Д.Ушинский. Некоторые считают эрудированным человеком того, кто много читает, но это не так. Читать можно для отдыха, совсем не думая. Эрудит – тот, кто много вынес из прочитанного. Говорят, что большой эрудит Л.Д.Ландау почти ничего не читал, а «брал все со слуха».
Знать все обо всем невозможно. Можно углубиться в специальные знания в конкретной области, оберегая свой мозг от «лишней» информации. Такие узкие специалисты незаменимы в доведении до применения чьей-то гениальной догадки, но сами часто бесплодны. Больше необходима общая эрудиция, например в естественных науках, чем в какой-то частной области, в которой работает исследователь. Эрудиция – необходимое, но не достаточное условие для творчества.
Очень важно иметь определенные методологические знания – как проводить исследование, какими методами лучше пользоваться. Сегодня для начинающего исследователя в области естественных наук наиболее приемлем следующий путь.
1. Установление различных фактов с помощью наблюдения и эксперимента.
2. Первичное эмпирическое обобщение.
3. Обнаружение отклоняющихся от правила фактов.
4. Выдвижение теоретической гипотезы со схемой объяснения.
5. Проверка на истинность.
6. Конструирование теоретического закона.
Хотя не ушел в прошлое метод проб и ошибок, среди ученых-химиков в настоящее время все большее значение приобретают теоретические, расчетные методы, когда возможность получения (или существования) предполагаемых соединений вначале рассчитывается исходя из известных фактов, закономерностей и моделей. Например, информация о структуре и биологической активности уже известных лекарств помогает предсказать (и даже рассчитать количественно), будет ли вновь синтезированное соединение обладать лечебными свойствами. У каждого из этих методов познания есть свои плюсы и минусы, свои приверженцы. В науке единственно верных путей нет.
Совершенно необходимо учиться аккуратности и систематичности. Без этих качеств невозможно продуктивное наблюдение, фиксация фактов, четкость подсчетов, учет погрешности; аккуратность часто сокращает время работы над проблемой. Несмотря на частую рассеянность в быту, в науке все ученые отличались склонностью к систематизации: прекрасные коллекции насекомых молодого Бутлерова хранятся и сегодня в музее истории Казанского университета; Менделеев начинал с гербариев, великий пример систематизации – его периодическая таблица, а в конце жизни он составил опись всех своих трудов. Д.Дальтон всю жизнь фиксировал метеорологические наблюдения и сделал более 2000 записей. Примеры можно приводить бесконечно. Одни аккуратны от природы, другим этому нужно учиться, в любом случае поле деятельности для самоусовершенствования весьма обширно.
Аккуратность связана с культурой труда, оптимальной его организацией. Во-первых, речь идет о культуре рабочего места, которое существует главным образом для того (эстетические моменты для краткости можно опустить), чтобы быстро найти, достать, дотянуться, не отвлекаясь, не убивая время на поиски необходимого. Конечно, можно проводить время бесплодно и за идеально прибранным столом, и, наоборот, продуктивно работать в обстановке кажущегося хаоса. И все-таки лишнее есть лишнее. «Существуют два основных способа добиваться чистоты работы – либо… минимально мусорить, либо максимально убирать», – писал польский методолог Тадеуш Котарбинский [5].
Во-вторых, культура работы непосредственно связана с таким ремесленным навыком, как умение работать с литературой. Химия – наука экспериментальная, но, облюбовав тему исследования, логичнее начать с изучения литературы по данному вопросу. Просматривая книги, статьи, уместно сразу делать некоторые пометки и замечания, которые приходят на ум. Например, Карл Маркс безжалостно вел записи прямо на полях книги, а на замечания отвечал: «Книги – мои рабы». Отдельные выписки и закладки очень пригодятся, а вот подробный конспект или построчная проработка литературы на ознакомительной стадии нецелесообразна. Необходимо помнить, усердное изучение только одной литературы в ущерб самостоятельному исследованию фактов способно породить компиляцию.
Хотелось бы заметить, что поток научной информации не только многоводен, но и многоязычен. Изучение иностранного языка – не самоцель, а необходимость. В XVII – XVIII вв. научные труды писались на латыни. Р.Бойль выучил греческий и еврейский языки, чтобы в подлиннике прочитать Евангелие, т.к. увлекался богословием. Сейчас большинство исследований публикуется на английском языке, и его нужно изучать юным исследователям.
Основа всякого знания, особенно химического, – это наблюдение и эксперимент. Наблюдение – целенаправленное изучение объектов, опирающееся в основном на органы чувств. В химии пользуются наблюдением, изучая физические свойства веществ, изменения, происходящие с веществами в природе. Чаще возникает необходимость активного, целенаправленного исследования объектов в контролируемых и управляемых условиях, т.е. проведения химического эксперимента. Заметим, наблюдение или опыт, результаты которых не занесены на бумагу, не существуют [6]. Это еще раз подчеркивает важность аккуратности и систематичности.
Наблюдение и эксперимент всегда теоретически нагружены, т.е. эмпирический опыт планируется, констатируется теорией, поэтому начало науки – не голые факты, а теоретические схемы, которые состоят из абстрактных объектов (идеальных конструкторов) разного рода – постулатов, принципов, построений… «Без идеи в голове не увидишь факта», – писал И.П.Павлов. Факты включаются в систему научных знаний. Эйнштейн считал предрассудком убеждение, что факты без теоретического построения могут привести к научному познанию. Таким образом, во-первых, совокупность фактов – основа для выдвижения гипотез и создания теорий, во-вторых, факты, при правильной их интерпретации, могут подтверждать или опровергать теорию.
История науки может привести не один пример ошибочности выводов, сделанных из экспериментов, которые были проделаны с целью прямого доказательства теоретических положений. Так, алхимики утверждали, что могут превращать железо в медь, и опускали железный нож в раствор медного купороса. Действительно, нож становился красным – «медным». Еще один пример приводит Менделеев в учебнике «Основы химии». Алхимики брали галлит – свинцовую руду и получали из нее мягкий металл свинец, обрабатывая который добывали серебро, а при дальнейшей обработке – золото. Вывод алхимиков из эксперимента – трансмутация металлов возможна. Неправильный вывод из прямого эксперимента в данном случае Менделеев связывает с неприменением взвешивания как метода исследования. Значит, важны для исследователя не только чисто экспериментальные навыки (умение производить различные операции – перегонку, осаждение, экстрагирование и др.), но и корректное планирование эксперимента и осторожность в выводах. Следуя заветам Д.Дидро, «будьте дерзки в гипотезах, смелы в теориях, точны в экспериментах и осторожны в выводах».
Иногда для правильных выводов из экспериментальных фактов недостаточно знаний, имеющихся в науке на данном этапе. Голландский естествоиспытатель Ян Баптист ван Гельмонт первичными элементами считал воду и воздух. Эксперимент, проведенный для доказательства этого утверждения, был поставлен безупречно. Отросток ивы он посадил в прокаленную землю и поливал чистой водой 5 лет, затем взвесил иву, опадавшие листья, вновь прокаленную землю и сделал вывод: увеличение массы дерева произошло только за счет воды, которая превратилась в древесину. В начале XVII в. другого вывода трудно было бы ожидать. Но сам пример еще раз предостерегает исследователей от вольного трактования фактов в соответствии с выдвинутыми предположениями.
Начинающий исследователь, конечно, не обладает в полной мере всеми перечисленными навыками и способностями, которые пригодятся в дальнейшем, однако полезно заранее знать, к чему нужно стремиться и что поджидает исследователя на сложном, но очень интересном пути первооткрывателя. П.Л.Капица называл физику трудным удовольствием жизни; думается, и о химии можно сказать то же самое.
Л и т е р а т у р а
1. Абрамзон А.А. О методологии в естественных науках. СПб: НеоТЭГС, 1998, c. 42.
2. Витковски Н. Сентиментальная история науки. М.: КоЛибри, 2007, c. 230.
3. Капица П.Л.Эксперимент, теория, практика. М.: Наука, 1981.
4. Папулов Ю.Г., Левин В.П., Виноградова М.Г. Строение вещества в естественно-научной картине мира. Тверь: ТвГУ, 2005.
5. Kotarbinski Т. Traktat о dobrej robocie. Wyd 5. Wroclaw – Warszawa – Krakow – Gdansk, 1973.
6. Нинбург Е.А. Технология научного исследования. Исследовательская работа школьников, 2007, № 1, с. 60.