Изобразительная модель в научном исследовании и конструировании

Предметность мышления проявляется в специфических формах, обусловленных дифференциацией мыслительной деятельности на различные ее виды. Одни из них наиболее близки по своим параметрам процессу создания материальных благ, другие в ходе исторического развития утратили непосредственную связь с материальным производством. Некоторые из них обладают ярко выраженной предметностью. Это относится, в частности, к тем из них, которые связаны с построением и преобразованием чертежей, схем, графиков, диаграмм, используемых в познании и управлении.

Как высокоэффективные для объективного исследования и наглядного представления его результатов расценивал графические средства В. И. Ленин. Анализируя картину борьбы на II съезде РСДРП, он писал: «Чтобы сделать эту картину наглядной, чтобы получить настоящую картину, а не груду бессвязных, дробных, изолированных фактов и фактиков, чтобы положить конец бесконечным и бестолковым спорам об отдельных голосованиях (кто за кого голосовал и кто кого поддерживал?), я решил попытаться изобразить все основные типы «разделений» нашего съезда в виде диаграммы. Такой прием покажется, наверное, странным очень и очень многим, но я сомневаюсь, можно ли найти другой способ изложения, действительно обобщающего и подводящего итоги, возможно более полного и наиболее точного».

Графические средства, как известно, широко применяются в конструкторской и исследовательской деятельности. Для специалиста, работающего в области конструирования техники, характерен такой специфический вид деятельности, которую обычно называют, с известной долей условности, инженерным мышлением. Этот достаточно нечеткий термин скорее указывает лишь общую направленность деятельности технического специалиста. Одним из приемов, позволяющим более четко зафиксировать эту направленность, служит различение научного исследования и инженерного конструирования, деятельности ученого и инженера по определенным параметрам.

Научное исследование всегда направлено на познание свойств, функций какого-либо явления. «Научное исследование,— пишет, например, И. Г. Герасимов, — это такое систематическое и целенаправленное изучение объектов, в котором используются средства и методы науки и которое завершается формулированием знаний об изучаемых объектах». Цель ученого в простейшем случае эмпирического исследования формулируется следующим образом: имеется некоторый объект, необходимо открыть, каковы его свойства, как он функционирует.

Перед инженером (в рассматриваемой нами связи) стоит задача противоположного плана. Он должен придумать, построить устройство, которое выполняло бы наперед заданные функции, обладало бы определенными свойствами. Поэтому важнейшей составной частью деятельности инженера выступает проектирование, конструирование самых различных машин, приборов, установок и т. п. Разумеется, указанное различение познавательной и конструкторской деятельности является абстрактным. В действительности любой ученый неизбежно должен быть и инженером, а любой инженер — ученым. Только такое сочетание, основанное на глубоком внутреннем единстве познания и практики, делает труд того и другого наиболее результативным в большинстве случаев.

Конструирование, рассматриваемое как определенный тип мышления, по своему генезису и характеру наиболее близко производственной деятельности человека. Эта близость, однотипность проявляется прежде всего в аналогичном использовании средств, с помощью которых осуществляются оба вида деятельности. Производя какую-либо потребительную стоимость, человек имеет дело с предметом труда и орудиями, которые опосредствуют его воздействие на этот предмет. В конструировании, которое представляется иногда как чисто мыслительная деятельность, каждый шаг также материализуется с помощью определенных средств в виде графиков, схем, чертежей, которые выступают и как результат, продукт этой деятельности.

Однако график, схема, чертеж также способны фиксировать знание, полученное в научном исследовании, выступать в качестве его результата. Чем же в этом случае отличаются продукты (и, следовательно, цели) деятельности конструктора и ученого? Различие определяется неодинаковыми способами использования (потребления) этих продуктов.

Необходимым условием конструирования является актуальное (или хотя бы потенциальное) воплощение конструкции в материале, создание устройства, реализующего проект. И в этом случае чертеж, схема представляет первый шаг на пути реализации проекта. Можно сказать, что конструкция уже воплощена в некотором материале — в схеме, чертеже, только материал этот еще не обеспечивает реального функционирования устройства.

Если же чертеж или схема являются продуктом научного исследования, они служат лишь средством фиксации и хранения знаний. Машина, созданная по проекту, существует в виде определенного вещественного продукта. Знание, зафиксированное в материальной форме знаковых систем, есть идеальное отражение действительности познающим человеком. Напомним еще раз, что речь идет о дифференциации, связанной с различением функций одних и тех же материальных средств объективации мыслительных процессов в разных сферах человеческой деятельности.

С гносеологической точки зрения чертежи, графики, схемы и подобные им средства, широко используемые в конструкторской и познавательной деятельности, имеют различные функции. Например, функции чертежа, выполненного в ортогональной проекции и изображающего какой-либо механизм или деталь, существенно отличаются от функций принципиальной схемы, скажем, радиотехнического прибора. В первом случае отображается форма элементов и пространственная структура всего устройства, во втором — система функциональных связей, соединяющих элементы в единое целое.

Эти различия соответствуют историческим этапам развития средств отображения эмпирических и теоретических объектов в отдельных сферах науки и техники. Особенности эволюции таких средств отчетливо прослеживаются на разных этапах становления радиотехники.

История радиотехники демонстрирует такой путь развития, познания, который не укладывается в представление о последовательном переходе от чувственного к вербальному отображению как высшей ступени познания. Словесно-понятийное освоение оказывается лишь посредствующим звеном в ходе выработки более адекватных модельно-изобразительных средств. Они складываются тогда, когда данная область действительности подверглась предварительному изучению и когда сформирован понятийный аппарат для ее описания на естественном языке.

Процесс выработки эффективной системы графических знаков и соответствующих теоретических понятий по содержанию (и конечному итогу) — один из видов научной абстракции. Обусловленный объективно проявившимися в практике отношениями независимости функций от конструктивной формы элементов, этот процесс происходил в значительной мере стихийно.

Принципиальная схема, отображающая функциональные связи элементов радиоустройства, представляет собой сеть связей (граф), узлами которой являются элементы прибора, обозначенные условными знаками. По характеру замещения объектов это синтез пространственной графической модели связей и особого рода графических знаков — идеограмм, обозначающих эмпирические объекты и выражающих соответствующие теоретические понятия. Поскольку такая сеть не фиксирует жестко пространственного расположения деталей, она сохраняет связность при топологических преобразованиях.

Общий характер процесса формирования способов построения схем в радиотехнике соответствует в своих главных чертах процессу становления языка научной теории в других отраслях естествознания и техники. Радиосхема исторически сформировалась так, что она не просто моделирует какое-то устройство, но представляет собой отображение связей в системе теоретических или эмпирических понятий. Следовательно, пока соответствующие понятия не сложились, не было и основы для развития графической знаковой системы. Вместе с тем появление первых изображений радиотехнических устройств породило потребность в более совершенных схемах. Это в свою очередь способствовало формированию понятийного аппарата, т. е. происходило своеобразное взаимодействие словесных и изобразительных средств в рамках складывающейся теории.

Таким образом, развитие графических средств шло от передачи внешней пространственной формы (что соответствует по характеру рисунку или чертежу) к передаче, изображению функций. Однако и в том и в другом случае между этими различными способами изображения существует определенная общность. Эта общность может быть зафиксирована как принадлежность чертежа и радиосхемы (и некоторых других типов изображений) к классу знаковых моделей.

Знаковые системы, функционирующие в качестве моделей, требуют соблюдения некоторых условий. Во-первых, «элементарный знак знаковой системы, выступающей в качестве модели или выполняющей функции модели, должен обязательно иметь предметное значение, находиться в однозначном отношении к своему предмету и, следовательно, быть его заместителем… указанным предметным значением элементарный знак знаковой модели обладает только в контексте самой системы…». Во-вторых, существенным признаком знаковых моделей в отличие от других, по мнению В. А. Штоффа, служит то обстоятельство, что знаковая модель, «не являясь отображением объекта (моделируемой системы) на уровне элементов, представляет собой образ этой системы на уровне структурном. Структура знаковой модели представляет собой изображение структуры моделируемого объекта».

Понятие знаковой модели может охватывать не только изображения, передающие структуру объекта, но и изображения, отображающие систему функциональных связей, формирующих целостность объекта. В некоторых случаях, как мы видели, не является обязательным и наличие предметного значения (в теоретических схемах).

Чем же объясняется высокая эвристическая ценность знаковых моделей, обеспечившая их широкое использование в практике инженерного конструирования и в практике научного исследования? Применение знаковых моделей позволяет заменить реальный объект (исследуемый или создаваемый), функционирующий по естественным, природным законам, моделью, правила построения и функционирования которой выбираются, задаются людьми. В каждом конкретном случае используются наиболее оптимальные правила построения таких моделей (скажем, вид проекции, в котором выполнен чертеж, тип условных знаков, приемы преобразования схем и т. д.). Вероятно, это один из важнейших факторов, обеспечивающих высокую эффективность графических средств в научном познании и инженерном конструировании.

Важнейший этап создания научной теории связан с формированием ее объекта. При этом используются различные методы, среди которых следует отметить две группы. Методы первой группы основываются на использовании различных видов абстракции, приводящей к выделению каких-либо (обычно немногих) важных в данном отношении свойств эмпирических объектов и отвлечению от остальных. Методы второй группы в отличие от первой носят конструктивный характер. Их важнейшая черта — формирование объекта теории из таких элементов, которые нельзя выделить путем абстрагирования из известных эмпирических свойств изучаемого объекта.

Между инженерной, конструкторской и исследовательской деятельностью существует, таким образом, фундаментальная связь. Понятия «конструирование», «конструкторская работа» характеризуют поэтому не только создание проектов, воплощаемых затем в реально существующих механизмах и устройствах. Они выражают и существенные черты научного познания. Именно в таком смысле использует их Ф. Энгельс в известном отрывке из «Диалектики природы». Анализируя формы, в которых совершаются научные открытия, он писал, что С. Карно «сконструировал идеальную паровую машину (или газовую машину)…».

Чтобы выяснить специфику теоретического конструирования, обратимся к приемам построения умозрительных моделей, играющих важную роль при создании теории. Известно, например, что такие модели во многих случаях применял Дж. К. Максвелл. «Теория электричества, которую я лично предпочитаю, — писал он в одной из своих работ, — отрицает действие на расстоянии и приписывает электрическое действие натяжениям и давлениям во всепроникающей среде, причем напряжения принадлежат к тому же роду, который известен технике, среда же идентична той, в которой, как мы предполагаем, распространяется свет».

Роль подобных моделей в формировании теории была в значительной мере вспомогательной, они служили своего рода искусственной конструкцией, позволяющей выявить закономерную связь явлений. Ученые редко описывают в своих работах такие вспомогательные построения. Возможно, поэтому они производят впечатление необычности. «Можно лишь поражаться, — отмечает Д. Томсон, — что Максвелл пришел к своим уравнениям с помощью рассуждений, где фигурировала сложная модель с вращающимися вихрями, изображавшими магнитные силы; эти силы передавались частицами, игравшими роль свободных шестеренок в зубчатой передаче — аналоге электрического тока. Если бы такое доказательство кто-нибудь увидел сегодня, то хватило бы и беглого взгляда, чтобы, не колеблясь, выбросить этот труд в мусорную корзину. Подводя итоги, Максвелл отбросил почти весь этот механизм; в результате появилась теория…».

Отметим важные особенности описанных приемов научного исследования: идеальные модели конструируются из элементов, которым могут быть найдены аналоги в практической производственной деятельности («напряжения принадлежат к тому же роду, который известен технике»); эти модели, как и объекты теории вообще, занимают некоторое промежуточное положение, функционируют лишь как средство построения теории. Однако именно с ними связан творческий момент познания. Выполнив свою роль, они оказываются вне рамок теории, и их можно «отбросить» при переходе к математическим формулам.

Таким образом, для теоретического конструирования характерным является создание элементов, из которых строится объект теории, и правил оперирования с ними. Правила построения такого объекта выбираются ученым в зависимости от поставленной задачи. В приведенном примере эти правила (как и вся конструкция в целом) должны были обеспечить переход от эмпирически наблюдаемых фактов к математическому описанию.

В качестве моделей широко применяются изображения, в том числе геометрические построения, причем не только в науках, изучающих пространственные параметры объектов. Во многих случаях они используются для моделирования, например, химических и иных свойств вещества. Хорошо известен знаменитый менделеевский «пасьянс». Распределение информации о химических элементах по их атомным весам (и некоторым другим свойствам) на плоскости помогло увидеть связи между ними, объединить их в периодическую систему.

Д. И. Менделеев обращался к геометрическим построениям и в других случаях, в частности при поисках методов физико-химического анализа. Исследуя свойства растворов, он высказал идею о том, что «на кривых, выражающих свойства растворов в зависимости от состава, должны… быть «особые точки» в смысле геометрическом, т. е. максимумы, разрывы, переломы и т. п.».

Вот как характеризует метод физико-химического анализа один из его основоположников — Н. С. Курнаков: «В отличие от обычно применяемого «препаративного» пути физико-химический анализ изучает не отдельные тела, а свойства полной равновесной системы, составленной из определенного числа компонентов. Получаемая при этом диаграмма состав — свойство представляет графическое изображение той сложной функции, которая определяет отношение между составом и свойствами однородных тел или фаз, образующихся в системе. He зная в большинстве случаев алгебраического уравнения этой функции, мы можем выразить точно, графическим путем, взаимные соотношения состава и свойства, и притом не только качественно, но и количественно».

Геометрические построения, таким образом, рассматриваются как совершенно очевидное и эффективное средство изучения химических свойств вещества. Диалектика процесса познания такова, что непространственные, химические свойства находят свое наиболее адекватное отображение в пространственных, геометрических построениях. Геометрические изображения позволяют создать теоретическую модель химической системы. В конечном счете такой подход привел к разработке высокоэффективного метода физико-химического анализа.

Построение пространственных конфигураций не есть нечто второстепенное для научного исследования. Оно входит в саму ткань мыслительного процесса ученого. Менделеев не знал заранее, что получится из его «пасьянса», как не знали этого и другие ученые, строившие такие модели. Следовательно, в этих построениях реализуется важнейший этап научного исследования, этап, раскрывающий диалектику творческого процесса ученого.

Построение и перестроение геометрических фигур часто представляется как сугубо элементарная, не связанная с творческими мыслительными процессами деятельность. На самом деле она может опосредствовать самые глубинные, творческие шаги научного познания. Можно напомнить в этой связи данную Ф. Энгельсом характеристику становления тригонометрии: «После того как синтетическая геометрия до конца исчерпала свойства треугольника, поскольку последний рассматривается сам по себе, и не в состоянии более сказать ничего нового, перед нами благодаря одному очень простому, вполне диалектическому приему открывается некоторый более широкий горизонт. Треугольник более не рассматривается в себе и сам по себе, а берется в связи с некоторой другой фигурой — кругом… если гипотенуза = r, то катеты образуют синус и косинус… Благодаря этому стороны и углы получают совершенно иные определенные взаимоотношения, которых нельзя было открыть и использовать без этого отнесения треугольника к кругу, и развивается совершенно новая, далеко превосходящая старую теория треугольника, которая применима повсюду… Это развитие тригонометрии из синтетической геометрии является хорошим примером диалектики, рассматривающей вещи не в их изолированности, а в их взаимной связи».

Проанализированные примеры относятся к XIX в., и может сложиться впечатление, что описанный метод теоретической работы характерен для науки прошлого века и не является эффективным для современной науки. Однако дело обстоит далеко не так. Среди самых впечатляющих открытий нашего века — раскрытие структуры ДНК в 50-х годах. И здесь на завершающем этапе был использован прием, чрезвычайно близкий описанным. Одна из принципиальных трудностей состояла в необходимости найти приемлемые способы сочетания четырех оснований (аденина, тимина, цитозина и гуанина) в структуре ДНК

Вот как описывает решающий шаг один из авторов открытия, Д. Д. Уотсон. Вырезав точные изображения оснований из картона, он принялся раскладывать на столе пары оснований, соединенных в молекуле водородными связями. «И вдруг я заметил, — пишет Уотсон, — что пара аденин — тимин, соединенная двумя водородными связями, имеет точно такую же форму, как и пара гуанин — цитозин, тоже соединенная по меньшей мере двумя водородными связями». Затем была собрана конструкция, в которой макеты атомов были расположены в трехмерном пространстве, «как того требовали и рентгенографические данные и законы стереохимии. Получилась правозакрученная двойная спираль с противоположным направлением цепей».

Таким образом, процесс научного исследования оказывается не только теоретическим воспроизведением материальной производственной деятельности, но включает в себя операции и процедуры, аналогичные по своим параметрам предметно-орудийной деятельности общественного человека. Наличие в процессе построения научной теории процедур, аналогичных конструированию и некоторым технологическим приемам, рассматривается как подтверждение единства принципов, на которых строится материальная производственная деятельность и познание. Ф. Энгельс писал о математических действиях, «допускающих материальное доказательство, проверку, — так как они основаны на непосредственном материальном созерцании, хотя и абстрактном…». Абстрагирование, следовательно, может строиться на «непосредственном материальном созерцании» и, разумеется, на оперировании с соответствующими предметами. В процессе познания оказываются неразрывно связанными сугубо теоретические приемы абстрагирования с приемами предметно-практической деятельности, обусловливающими созидательный, творческий характер мышления.

Наука развивается как социальный организм, и ученый работает по закрепленным в социальной памяти нормативам. Эти нормативы меняются от одного этапа развития науки к другому. В основе научного метода лежит опирающееся на многовековой опыт представление о том, что познание всегда имеет дело с объектами (вещами, свойствами, отношениями). Именно поэтому социально обусловленные нормативы, приводящие к получению знания, которое нельзя отнести непосредственно к эмпирическим объектам, и «вынуждают» ученого конструировать теоретический объект.

На некотором этапе развития какой-либо отрасли естествознания постепенно накапливаются новые факты, которые нельзя отнести к сформированным ранее теоретическим объектам. Такое «неорганизованное» знание начинает сдерживать дальнейшее движение в сфере научного познания. Чтобы организовать его, привести в систему, нужен переход к новому уровню. К уже сформированным объектам теории в такой ситуации подходят как к эмпирическим и строят из них, беря их в качестве элементов, новую организацию знания, объект нового уровня.

Подобного рода диалектические переходы составляют одну из существенных особенностей научного познания. В этой связи приемы построения теоретических объектов науки можно рассматривать как проявление в деятельности ученого диалектического взаимодействия способов и средств материального производства и научного познания.