Учебник для изобретателя инструментов науки будущего

Летом 2016 г. вышла книга Андрея и Елены Серых «Изобретая инструменты науки будущего: Ускоряющая науку ТРИЗ: Физика ускорителей, лазеров и плазмы». Книга посвящена применению методов ТРИЗ – Теории Решения Изобретательских Задач, разработанной в СССР в середине прошлого века Генрихом Альтшуллером и появилась естественным образом как результат поиска наилучшего метода, подходящего для обучения студентов и аспирантов Института имени Джона Адамса (Оксфорд, Великобритания) и его базовых университетов нескольким физическим дисциплинам согласованным образом, чтобы такое обучение также развивало изобретательность. Авторы рассказали корреспонденту журнала «НАУКА из первых рук», как этот необычный учебник поможет создать новое поколение специалистов, готовых быстро и качественно изобретать что-то совершенно новое в науке и для которых изобретательство – естественная потребность

Авторы книги – Андрей Анатольевич Серый, выпускник ФФ НГУ 1986 г., профессор Оксфордского университета, директор Института Джона Адамса (Великобритания) и Елена Ивановна Серая, выпускница ФЕН НГУ 1986 г., научный сотрудник медицинского департамента Оксфордского университета

«Изобретая инструменты науки будущего: Ускоряющая науку ТРИЗ: Физика ускорителей, лазеров и плазмы» – русская версия книги А. Серого Unifying Physics of Accelerators, Lasers and Plasma («Объединяя физику ускорителей, лазеров и плазмы») – посвящена наведению мостов между тремя областями физики (физики ускорителей, лазеров и плазмы) с применением изобретательских принципов. Это позволит более успешно работать над созданием новых устройств и научных инструментов, основанных на синергии ускорителей, лазеров и плазмы, а также сделать еще один шаг в разработке следующего поколения ускорителей.

Как возникла идея написать книгу?

Идея книги возникла не случайно. Она появилась естественным образом как результат поиска наилучшего метода, подходящего для обучения студентов и аспирантов Института имени Джона Адамса и его базовых университетов. Целью такого метода является обучение нескольким физическим дисциплинам согласованным образом, при этом гарантируя, что это обучение будет развивать и стимулировать также и изобретательность.

Материалы для этой книги накапливались постепенно, начиная с одной лекции, в Объединенном Институте Ядерных Исследований (ОИЯИ) в Дубне в марте 2014 года, затем нескольких лекций, прочитанных студентам в Оксфорде в мае 2014 года, и в конечном итоге – недельным курсом, прочитанным на ускорительной школе USPAS в Альбукерке в июне с 2014 года.

ТРИЗ и УН-ТРИЗ

Генрих Альтшуллер, работая в патентном бюро в СССР, проанализировал тысячи патентов, прежде чем выявил ключевые особенности успешного патента и создал в середине прошлого века свою Теорию решения изобретательских задач (ТРИЗ).
Команда Альтшуллера разработала подробную методологию, которая использует таблицу типичных противоречий и удивительно универсальную таблицу из 40 изобретательских принципов. Основной метод ТРИЗ состоит в выявлении в технической задаче пары противоречащих параметров. После чего инженер, используя таблицы ТРИЗ, сразу же получает небольшой список изобретательских принципов, подходящих для решения этой задачи. Ограничение числа вариантов, которые нужно перебрать, приводит к более быстрому решению проблемы.
Авторы книги попробовали применить методику ТРИЗ к ускорительной науке, добавив к сорока изобретательским принципам несколько новых принципов и переформулировав некоторые из стандартных принципов для большей применимости их к науке, что привело к созданию УН-ТРИЗ (Ускоряющая науку ТРИЗ)

Что представляет собой школа ускорительной физики USPAS?

Школа ускорительной физики USPAS проходит в разных местах в США два раза в год. Студенты и аспиранты, которые работают над кандидатскими диссертациями (PhD), приезжают со всего мира и в течение недели интенсивно, с 9 утра до 11 вечера, занимаются ускорительной физикой. В программе школы – четыре или пять курсов. За пять дней я прочел студентам 12 лекций. Лекции были с утра и сразу после обеда. А потом до поздней ночи мы работали над мини-проектами новых ускорителей.

Именно работа со студентами – лекции, работа над проектами, учебные сессии, бурные дискуссии – вдохновила меня написать книгу, которая задумывалась изначально как учебное пособие к курсу. В июне 2016 я снова читал этот курс на USPAS школе, в этот раз в Форт Коллинзе (Колорадо), но у каждого студента на столе уже лежал наш «учебник», и это очень помогло! Кроме того, мы сделали постеры с иллюстрациями 40 принципов ТРИЗ. Лена проиллюстрировала все 40 принципов, но сделала это на примерах из науки, в основном из физики и биологии. Мы хотели показать ребятам, что в науке нет протоптанных дорожек и не нужно думать, что все уже изобретено мудрыми профессорами. Это всегда неправда! Новые идеи рождаются на каждом шагу. Всегда можно придумать что-то новое или улучшить то, что уже есть.

В течение всего курса я старался мотивировать студентов, показывая им, что есть очень сложные задачи. Например, существуют пока не решенные проблемы в Будущем Кольцевом Коллайдере (FCC), а есть метод, который может помочь приблизиться к их решению. Мы вместе изучаем его и пытаемся применять на практике. Студенты чувствуют себя причастными к большой науке, они смело и с энтузиазмом атакуют эти проблемы.

С 4 по 8 июля в Институте ядерной физике СО РАН прошла международная конференция «Источники синхротронного излучения и лазеры на свободных электронах: генерация и применение». Я был в составе оргкомитета конференции и предложил председателю организовать конкурс на лучший постерный доклад. В качестве приза мы решили вручить нашу книгу. Комитет из нескольких ученых оценил уровень постерных презентаций, побеседовал с докладчиками и примерно из сотни презентаций выбрал трех победителей, которых мы и наградили. Нам кажется, этот приз очень символичный, ведь победители этого конкурса стали одними из первых обладателей русской версии книги (первые 20 экземпляров нам доставил курьер в аэропорт Шереметьево)

Важно показать ребятам, что сложные задачи были и в прошлом, а решить их можно было определенным изобретательским принципом. Например, одна из проблем в месте встречи пучков в линейном коллайдере (ILC) решалась комбинацией принципов «матрешки» и «система-антисистема». Конечно, это не готовый рецепт, но есть множество примеров, когда комбинация этих принципов давала намек и приводила в итоге к решению, казалось бы, неразрешимой задачи.

Расскажите, пожалуйста, о работе над мини-проектами.

В конце каждой главы нашей книги есть раздел «Практические задания», где помимо расчетных задачек есть мини-проект: это техническое задание, которое не содержит прямых инструкций, и студенты должны сами понять, что им нужно посчитать и оценить, чтобы спроектировать машину, которой нет нигде в мире. Именно этим проектом мы занимались на школе в этом году. Во время курса мы шаг за шагом накапливали знания и приближались к тому, чтобы студенты смогли полностью с помощью оценок просчитать все параметры: какие там магниты, какие там пучки летают, сколько они энергии теряют за оборот, какая получается яркость излучения, и т.д. И к концу недели мы настолько хорошо проработали эту тему, что подготовили абстракт статьи и послали тезисы на конференцию, которая пройдет в октябре.

Мини-проект. Определите приблизительные параметы 1 ГеВ-ного компактного кольцевого источника СИ, нацеленного на производство 10 кэВ фотонов, основанного на режиме пополнения инжекции с помощью инжекции электронов на орбите и с номинальной энергией из лазерно-плазменной ускорительной системы. Обсудить шаги исследований, необходимых для реализации этой концепции

На школе один студент спросил меня, как я собираюсь внедрять эти принципы в свою научною деятельность, и я ответил, что пока я внедряю их в основном в молодые мозги. Первая стадия применения этого метода – стадия развития идеи, ее распространения, внедрения ее в массы студентов.

Можно ли назвать Вашу книгу классическим учебником?

Мы, действительно, называем книгу «Изобретая инструменты науки будущего» учебным пособием, но это не классический учебник. Это некий синтез фундаментального подхода к образованию с элементом применения теоретических знаний на практике. Если научить студентов «смешивать» разные области знания с изобретательским походом, можно получить новое поколение специалистов, которые будут с энтузиазмом смотреть в будущее, будут настроены «крутить головой», а не только брать то, что лежит под носом, не будут боятся изобретать что-то новое в науке, а будут знать, что, во-первых, это сделать можно и, во-вторых, можно делать это быстро и качественно, и все это будет нужно людям.

Есть ли отличия в подготовке студентов-физиков в НГУ и в Оксфордском университете?

Одно из кардинальных отличий в подготовке студентов в Англии и в России – это система семинарских занятий. Если, например, в нашем родном Новосибирском государственном университете, как в любом ВУЗе нашей страны, предусмотрены поточные аудитории, где проходят лекции, и аудитории для семинаров, то Оксфорде мы этого не увидим. В департаменте физики только две больших аудитории. Возникает вопрос: а где же занимаются студенты? Даже в НГУ, где физическому факультету был отведен целый этаж главного корпуса, всегда не хватало аудиторий для семинаров.

На потоке департамента физики в Оксфорде учится около 200 студентов, и все они живут в разных колледжах. На лекции они ходят в университет, а семинары проходят в колледжах, – мы бы назвали это общежитиями. В кампусе Оксфордского университета – 38 колледжей, и в каждом есть свои преподаватели физики, их может быть всего три, и они проводят занятия только со студентами своего колледжа.

Елена Серая: «Я поступала на ФЕН НГУ в 1981 году, и мы сдавали серьезные вступительные экзамены: две математики, физику, сочинение и собеседование по биологии. Когда рассказываю об это коллегам в Англии, они очень удивляются. Но это было абсолютно правильно! В университет брали тех, кто хочет и умеет работать.
Мы знаем, что сегодня абитуриенты поступают в Вуз по результатам единого государственного экзамена (ЕГЭ), в Англии тоже есть аналог ЕГЭ, он называется A level (General Certificate of Education Advanced Level). Однако Оксфорду и Кембриджу дано особое право проводить экзамены не учитывать результаты «ЕГЭ» и проводить свои письменные экзамены, а после этого – собеседование.
Ввести подобные привилегии в России было бы очень сложно: Англия – маленькая страна, и Оксфорд и Кембридж – два старинных университета, которые легко выделить в отдельную «элитную» категорию. У нас же много хороших ВУЗов. И непонятно, кому дать такие привилегии, ведь, если их дать многим вузам, то вся система ЕГЭ может развалиться, и все вернется к старому варианту (который, в общем-то, был неплох).
Наши дочери учились в школах и в Иллинойсе, и в Калифорнии, и мы имели возможность познакомиться и с американской системой вступительных экзаменов.
Система единых экзаменов существует в Америке уже много лет, она устанавливалась и развивалась годами. Сейчас существуют три типа «ЕГЭ». PSAT – предварительный экзамен в 9 классе, и два основных: SAT – Scholastic Assessment Test и альтернативный метод – American College Testing – ACT, когда школьники могут выбрать подходящий для выбранного ими направления вариант теста, или же сдать оба.
Я считаю, что в принципе, система ЕГЭ не так уж и плоха, она может нормально работать. Наслуху жалобы, что школьники учатся отвечать на вопросы ЕГЭ, но не учатся думать и учиться. Но это зависит от мотивации и от состояния системы в целом. В ситуации, когда вокруг совсем недавно покупались диссертации и дипломы, мотивации школьников тоже были искажены. Сейчас ситуация, к счастью, нормализуется. И все же единственный путь исправить и ЕГЭ, и мотивацию школьников и студентов – заниматься реальным делом, реальной наукой, заинтересовывать молодежь. Когда люди хотят применять знания, потому что это чрезвычайно интересно, становится менее важен тип экзамена, а более важным становится учеба и приложение этих знаний в живом и полезном деле

Занятия проходят в маленькой комнате, где стоит стол и пара стульев. Преподаватель занимается физикой всего с двумя-тремя студентами, то есть это практически индивидуальные занятия. Это, с одной стороны, эффективно, потому что студент постоянно «включен» в рабочий процесс, он всегда может остановиться и уточнить сложные моменты, у него нет возможности «отсидеться», пока одногруппники отвечают, а, с другой стороны, это очень неудобно для преподавателя, потому что занятия разрозненны, и он тратит на них очень много времени. Но с этим приходится мириться, так как качество преподавания и образования в данном случае важнее.

Применяете ли Вы изобретательскую. методологию в своей научной работе?

«Когда я начинал работать над книгой, я очень много знал про ускорители, а про плазму и лазеры – меньше. И, чем больше я работал, чем больше узнавал, тем меньше, мне казалось, я знаю! Есть известная фраза Сократа: «Чем больше я знаю, тем меньше я знаю». Это абсолютно правильно! Сократ изображал окружность: чем меньше знает человек – тем меньше окружность. Длина этой окружности – площадь соприкосновения с неизведанным. По мере увеличения объема знаний, увеличивается и длина окружности, а следовательно – площадь соприкосновения с неизведанным, и процесс этот бесконечный.
Но у меня появилось ощущение, что в моем случае – это не круги с ровными границами, а какие-то амебы, и периметр соприкосновения с неизведанным – он как фрактал: знания стремятся к нулю, а площадь соприкосновения с неизведанным стремится к бесконечности»

Конечно, принципы ТРИЗ и УН ТРИЗ должны применяться в науке. Для этого я и читаю курс, и для этого мы написали и перевели книгу. Когда я оглядываюсь и смотрю на работы, которые сделал, на идеи, которые применял в науке, во многих из них я вижу изобретательские принципы. То есть, подсознательно, я уже использовал их, но будь я тогда знаком с алгоритмами ТРИЗ, это бы значительно облегчило и укорило процесс.

А как восприняли Ваши новаторские идеи Ваши коллеги и читатели?

Работая над созданием и переводом книги, мы очень волновались, с трепетом ожидая горячих споров и обсуждений идей, которые мы предлагаем читателю. О русской книжке говорить пока рано, но на английскую книгу мы получили очень много положительных отзывов, и официальных, и неофициальных. Замечательные рецензии на книгу вышли в изданиях «Журнал ТРИЗ», CERN Courier, в августе вышла очень хорошая рецензия и небольшое интервью со мной в Physics Today.

Многие коллеги пишут нам, что книга замечательная. Они рекомендуют ее своим друзьям и знакомым, а некоторые уже начали использовать ее в обучающих классах, и это, пожалуй, лучшая похвала! Был, правда, один отзыв, на Амазоне, состоящий из одного слова: «нечитабельно». Но, наверно, таких случаев не избежать. Отзывы коллег и читателей очень вдохновляют. Теперь уже не хочется останавливаться. Мы думаем о втором издании английской книги. Уже есть идеи, что можно упростить, а что, наоборот, расширить. Во втором издании мы обязательно добавим иллюстрации 40 принципов ТРИЗ, которые Лена нарисовала для моего курса USPAS и думаем изменить название. Возможно, она будет называться так же, как и русская книга.

Другие публикации авторов:
Серый А. А. «Ускоритель будущего: как вернуть экспоненциальный рост графику Ливингстона?»
Серый А. А., Серая Е. И. «Мы – жители мира»
Серый А. А. «Эпоха Ускорения»

: 20.09.2016