Творческие задачи по биологии и методы их решения

...Нельзя птицу учить летать в клетке. Нельзя выращивать \"творческий мускул\", не вылетев на простор заданий \"открытых\" - допускающих разные подходы к решению, разную степень углубления в существо проблемы, разные варианты ответов...

Психологи различают два типа мышления: конвергентное (закрытое, нетворческое) и дивергентное (открытое, творческое). Тип личности с преобладанием конвергентного мышления называют \"интеллектуальным\", дивергентного - \"креативным\". Интеллектуал готов решать задачи, даже весьма сложные, но уже кем-то до него поставленные и имеющие известные технологии решения, - так называемые \"закрытые задачи\". Креатив же способен сам видеть и ставить задачи, стремится выйти за рамки узко поставленного условия...

На самом деле, каждый человек обладает как интеллектуальными, так и креативными способностями, но в различной степени. По мере взросления креативное мышление \"затухает\". Подавляющее число старшеклассников и студентов конформны, бояться самостоятельности, тяготеют не к оригинальной мысли, а к разжеванной и разложенной строго \"по полочкам\" информации. Неопределенность условия и вариативность решения творческой проблемы их пугает.

Проблемные задачи могут быть в первом приближении разделены на 2 класса: 1) конструктивного типа (прямые задачи) и 2) объяснительного типа (обратные задачи). Прямая задача формулируется так: дана проблемная ситуация, требующая для своего решения некоторое внешнее воздействие; нужно выяснить - какое? Суть обратной задачи состоит во вскрытии причины (объяснении) того или иного явления, процесса. С точки зрения операций мышления задачи конструктивного типа имеют преимущественно синтетический хаpaктер, задачи объяснительного типа - преимущественно аналитический.

Конструктивные задачи можно в свою очередь разделить на три вида: общие задачи проектирования, задачи конструирования и изобретательские.

Цель общих задач проектирования - найти лучший способ удовлетворения какой-либо потребности человека, выполнения необходимой ему функции (что подразумевает поиск наилучшего принципа действия системы). Для них хаpaктерны максимально неопределенная зона поиска решений, неясность начальных и граничных условий и (часто) дефицит информации. В такой ситуации целесообразно применение методов случайного нахождения решения, например мозгового штурма.

Например. Обычно плодовые деревья стараются вырастить так, чтобы у них была большая крона: чем она больше, тем больше урожай. Однако сразу возникает проблема: широко раскинувшиеся ветви не выдерживают тяжести плодов и ломаются. Чтобы этого не произошло, ставят различные подпорки. Но это, в свою очередь, осложняет доступ к деревьям и почве под ними, подпорки могут повредить кору, да и сама их установка требует немалых затрат времени и материальных ресурсов. Как быть?

Задачи конструирования предполагают создание такой конструкции биологической системы, которая позволяет улучшить требуемый параметр этой системы при заданном принципе ее действия. Зона поиска в этом случае уже, и процесс решения можно начинать с применения системных методов поиска, например построения \"дерева целей\".

Например. Произрастающим в пустынях растениям приходится добывать воду в буквальном смысле по каплям. Предложите способ, с помощью которого растения пустынь могут собирать влагу из воздуха.

Изобретательские задачи могут быть сформулированы в общем виде следующим образом: \"Дана биологическая система для выполнения некоторой функции; эту систему надо усовершенствовать, но при улучшении ее параметра А ухудшается параметр Б. Как быть?\" Эти задачи целесообразно решать с помощью методов логического поиска, например алгоритма решения изобретательских задач (АРИЗ).

Например. Медвежата плохо видят и не сразу узнают маму, возвращающуюся с охоты. Дожидаться, пока она приблизится - опасно, а вдруг это чужой взрослый медведь. Он ведь и обидеть может. Как быть медвежатам?

Исследовательская задача - включает некое явление, которое необходимо объяснить, выявить причины или спрогнозировать результат. Перед учащимся стоит вопрос: \"Почему? Как происходит?\"

Например. Отправляясь на охоту, медведица оставляет своих медвежат одних. А при ее возвращении медвежата ведут себя очень странно: едва завидев приближающуюся маму, они залезают на тонкие деревца. Почему?

Наиболее распространенными методами решения любых проблем, в том числе и биологических, являются мозговой штурм и метод контрольных вопросов.

Мозговой штурм - один из первых методов активизации творческого процесса - был изобретен в конце 30 - х гг. в США Алексом Осборном. Учитывая, что для хорошего формулирования идей большинство людей не обладают достаточными знаниями, а выдвижение новой смелой идеи сразу же подвергается критике, - что тормозит высказывание таких идей участниками коллективных обсуждений, А. Осборн предложил разделить творческий процесс на два этапа: 1) генерацию идей и 2) их анализ. На этапе генерации участники обсуждения могут высказывать любые идеи, в том числе недостаточно продуманные, ошибочные, шутливые; в это время идет мозговой штурм - придумывание максимального числа новых идей. Основное правило работы на этом этапе - запрет критики. Идеи выдвигаются в течение 5 - 10 мин (до 1 ч) ; они протоколируются. На следующем этапе - этапе анализа - рассматривают все без исключения идеи, пытаясь в каждой выявить рациональное зерно и развить его в конкретное решение.

Метод контрольных вопросов. Это модифицированный мозговой штурм, при котором для облегчения процесса решения задачи применяются контрольные вопросы, направляющие мышление решателей в области возможных ответов. Ниже приведены контрольные вопросы, предложенные А.Осборном.

Алгоритм метода контрольных вопросов

1. Прочтите внимательно условие задачи и предложите все возможные ответы.

2. При формулировании решений постарайтесь ответить на следующие вопросы.

- Как по-новому применить систему или ее элементы (тело, вещество, явление, процесс, событие, поле, теоретическое утверждение, в которых возникла проблема)?

- Как упростить систему?

- Как изменить систему?

- Что можно увеличить в системе?

- Что можно уменьшить в системе?

- Что можно заменить?

- Что можно перевернуть наоборот?

- Каковы возможные комбинации элементов системы?

И мозговой штурм, и метод контрольных вопросов предназначены для организации групповой работы учащихся. Но кроме обучения работе в группе, необходимо обучение учащихся индивидуальной работе по решению проблем. Для этой цели рекомендуется использовать системный анализ и вещественно-полевой анализ. На первом этапе обучения оба эти метода используются в групповой работе.

Метод АРИЗа, созданный Г.С. Альтшуллером заключается в том, что решение изобретательской задачи рассматривается как процесс выявления и преодоления биологического противоречия, проявляется во время функционирования биологической системы. При этом предполагается, что развитие биологической системы подчиняется определенным закономерностям. Последние были выявлены в результате анализа большого массива патентной информации.

АРИЗ состоит из нескольких частей, распределенных на шаги, которые выполняются по определенным правилам. Первая часть алгоритма предназначена для конкретизации задачи, так как любая проблемная ситуация может служить источником целого ряда задач; в последующих частях проблемная ситуация анализируется и строится корректная модель задачи, формулируется идеальный конечный результат (ИКР), отражающий основное требование к будущей биологической системе, выявляются биологические противоречия, лежащие в основе задачи. Разрешаются эти противоречия с помощью информационного фонда АРИЗа. Заключительные части алгоритма предназначены для проверки полученного решения на его соответствие требованиям ИКР, закономерностям развития биологических систем и другими критериям.

Алгоритм метода системного анализа

Составьте подробную схему ситуации (системы), в которой возникла проблема.

Определите проблемный элемент и укажите функцию, которую необходимо выполнить для решения проблемы.

Для получения необходимой функции проанализируйте возможности:

• структуры и состава веществ проблемного элемента;
• изменений формы и размеров проблемного элемента и системы;
• порядка расположения элементов в системе;
• процессов взаимодействия проблемного элемента с другими элементами системы;
• стадий развития проблемного элемента;
• внесения в систему элементов из других систем и организации их взаимодействия с проблемным;
• объединения нескольких элементов.

Например. Предполагается, что очаг инфекционного заболевания домашних животных находится в окрестностях города. Как определить точный ареал инфекции?

1. Составляем подробную схему ситуации. Лучше всего на схеме изобразить основные элементы природной и антропогенной среды: луг, лес, водоемы, болото, дороги, сельхозугодья, поселки, жилые дома, завод и др. Схему надо нарисовать на доске и в тетради. Чем подробнее схема, тем лучше. Схема является опорой для организации мыслительного анализа проблемы.

2. Определяем проблемный элемент - очаг инфекции. Функция - необходимо обнаружить место локализации очага.

3. Анализ ресурсов системы и среды для получения необходимой функции:

• структура и состав веществ - проведение анализов воды, почвы, экскрементов животных в ареалах;
• форма и размеры проблемного элемента - изучение внешнего вида и численности животных;
• порядок расположения элементов в системе - попытаться определить, в каких ареалах возникает и в каких не возникает инфекция; что находится между этими ареалами и позволяет или не позволяет распространяться инфекции;
• процессы взаимодействия проблемного элемента с другими элементами системы - изучение поведения диких животных на предмет обнаружения чего-либо необычного;
• стадии развития проблемного элемента - попытаться проследить, как изменяются ареалы возникновения и распространения инфекции, изучать возможности сезонной активности тех или иных возбудителей заболеваний и определить, есть ли признаки этих заболеваний у животных;
• внесение в систему элементов и организация их взаимодействия с проблемным - попробовать вселить помеченных животных в разные ареалы и проследить за их состоянием в течение некоторого времени;
• объединение нескольких элементов - изучить частоту возникновения заболевания в окрестностях промышленных и сельхозугодий; попытаться ответить на вопрос: как влияют антропогенные объекты на возникновение и распространение инфекции?

Особенно интересен с точки зрения преподавания биологии раздел АРИЗа \"вепольный анализ\". Термин \"веполь\" образован от слов \"вещество\" и \"поле\"; он обозначает простейшую систему, которая в соответствии с концепцией Г.С. Альтшуллера состоит из трех элементов: вещества В₁, которое должно быть подвергнуто изменению (изделие), вещества В₂, осуществляющего необходимое действие, и поля П, которое обеспечивает взаимодействие В₁ и В₂. Проблема возникает в случаях, если:

1) не удается организовать само взаимодействие;

2) взаимодействие недостаточно эффективно;

3) возникают отрицательные параллельные действия или само взаимодействие приносит больше вреда, чем пользы.

Для организации взаимодействия, повышения его эффективности или устранения вредного действия вепольный анализ предлагает специальные приемы, получившие название \"стандарты\". Почему стандарты? Потому что в процессе анализа патентного фонда Альтшуллер выявил типовые решения технических проблем, которые он назвал стандартными решениями, или стандартами. Затем он разделил проблемы на группы и для каждой группы составил описание стандартов. Дополнительно к стандартам Генрих Саулович и его ученики составили информационные фонды - сборники физических, химических, геометрических и биологических явлений и процессов, с помощью которых возможно получение эффективных решений. Эти сборники получили название \"информационный фонд эффектов\". Таким образом, решение любой технической проблемы с помощью вепольного анализа осуществляется в следующей последовательности.

Алгоритм метода вепольного анализа

Составляется схема взаимодействия.

Определяется действие, которое необходимо выполнить (организовать или усилить взаимодействие, разрушить отрицательное действие).

Определяется стандарт с помощью которого это можно сделать.

Из информационного фонда выбираются возможные явления или процессы для формулирования решений.

Вепольный анализ не заменяет творческий процесс и не дает готового результата - решения, он является лишь вспомогательным средством для усиления мыслительной деятельности решателя и экономит время для поиска решений. Если говорить без ложной скромности, то гениальность автора вепольного анализа в том и состояла, что опыт изобретателей по решению технических проблем он преобразовал в относительно несложный метод, которым может пользоваться любой человек при создании новых изобретений.

Однако мы будем использовать очень упрощенный вариант вепольного анализа, достаточный для решения биологических проблем в школе. При желании учителя и учащихся возможно применение полной модели вепольного анализа, однако скорее на факультативных занятиях или при подготовке домашних заданий, рассчитанных на длительный срок.

Например. Известно, что в пещерных водоемах обитают слепые рыбы. Как ориентируются слепые рыбы в таких условиях?

Составляется схема взаимодействия по условию проблемы.

Слепые рыбы - среда водоема

Варианты стрелок между взаимодействующими элементами:

- сплошная стрелка - положительное взаимодействие;

- пунктирная стрелка - неопределенное взаимодействие;

- волнистая стрелка - отрицательное взаимодействие.

Над стрелкой указывается явление или процесс взаимодействия, если об этом говорится в условии проблемы. Если процесс неизвестен, то над стрелкой ставим вопросительный знак.

В данной модели над стрелкой мы укажем вопросительный знак, ибо процесс взаимодействия нам неизвестен.

Составляется подробное описание структурных ресурсов взаимодействующих элементов и оцениваются возможности каждого из них в организации взаимодействия. Это необходимо для того, чтобы помочь ученикам более детально увидеть потенциальные возможности каждого элемента в организации взаимодействия.

Ресурсы рыбы: чешуя, слизь, кожа, мышцы, скелет, системы органов полости тела, органы чувств.

Среда водоема: вода, каменистое дно, течения, температура и химический состав воды, электромагнитные поля.

Рассматриваются возможности каждого элемента для ориентации рыб и составляются гипотезы.

Составляются гипотезы, учитывающие особенности жизнедеятельности организмов и ресурсов среды, в которых они обитают. Для облегчения составления гипотез на данном этапе рекомендуется использовать материалы из таблицы \"Природные явления и процессы\".

Группы процессов	Примеры
Механические	Движение тел и веществ, извержение, изменение размеров и формы тел, удары, трение, вращение, давление, колебания, упругость, притяжение Земли, сила тяжести
Акустические	Звуки, шум, музыка, песня, ультразвуки, инфразвуки
Тепловые	Нагревание, охлаждение, оттаивание, кипение, испарение, конденсация
Химические	Изменение цвета, запаха, вкуса; кислотные дожди; повышение солености; выпадение осадков; образование кристаллов; использование: лекарств, антибиотиков, ядов, ферментов, гормонов, жира, антител, соков, смол, антифризов, питательных веществ, выделений, пены, воска, растворителей; применение удобрений и ядохимикатов
Электрические	Образование, передача, накопление разрядов и тока
Магнитные	Магнитное поле Земли, притяжение, отталкивание с помощью магнита, намагничивание, размагничивание
Оптические	Освещение, затемнение, отражение света, свечение, ультрафиолетовое и инфpaкрасное излучения, рентгеновское излучение
Биологические	Питание, дыхание, трaнcпорт веществ, выделение, размножение, рост, образование новых органов, ориентация, фотосинтез, листопад, миграции

Понятно, что в таблице представлены далеко не все явления и процессы, происходящие в природе, поэтому по мере работы с проблемами и источниками информации таблица постоянно дополняется самими учащимися и учителем.

Сведения в таблице не представляют собой прямые ответы. Это лишь основа для размышлений и составления гипотез. Размышляя, можно предложить следующие гипотезы.

Рыбы могут ориентироваться следующими способами: по разнице температур в слоях воды; по особенностям запаха; по солевому составу среды; по колебаниям воды; по электрическим разрядам (полям) ; по звуковым колебаниям; по изменениям магнитного поля Земли.

Таким образом, вепольный анализ позволяет максимально подробно проанализировать возможности структурных и функциональных ресурсов взаимодействующих элементов для поиска гипотез - вариантов ответов.

Решение подобных комплексных задач, когда последовательно используются все стратегии поиска нужного пути, позволяет развивать разные стороны мышления: и фантазию, и анализ, и системность, и логичность мышления, в силу чего они и полезны учащимся; в том числе и закрепления, усвоения пройденного учебного материала. В этом случае целесообразно предлагать задачи на применение вепольных преобразований с использованием изучаемых эффектов. Например, при изучении темы \"Внутреннее строение млекопитающих\" можно предложить учащимся следующую задачу:

В горах, если собаки-спасатели находят замерзшего, то две из них ложатся по бокам потерпевшего, а остальные стремглав несутся к людям и ведут их к найденному путнику. Если собаки находят человека, засыпанного лавиной, то пытаются отрыть, освободить его, если же это не удается, то вызывают на помощь людей. Своей мировой славой сенбернары обязаны, прежде всего, собаке Барри, которая спасла 40 человек. Как собаки находят людей?

К эвристическим приемам относятся также и методы развития творческого воображения, например варьирование масштабов (прострaнcтвенных и временных) различных биологических процессов. Для более широкого использования в преподавании биологии этих приемов необходимо формулирование соответствующих проблемных задач на основе историко-научной литературы, современных научных и научно-популярных изданий, патентной литературы.

Включение в урок изобретательских задач работает на развитие творческих способностей и детей и учителя, а кроме этого - на сам учебный предмет, т. к. позволяет осмыслить и закрепить на творческом уровне учебный материал. Выполнение подобных заданий полезно для здоровья учащихся, т. к. по ходу работы происходит переключение с левого на правое полушарие головного мозга и обратно, что снижает информационный стресс, вносит в урок эмоциональность, радость творчества. Происходит выход из системы данного учебного предмета в надсистему, т. е. в разные области человеческих знаний и человеческой деятельности, что помогает формированию у детей целостной картины мира.

В одной из своих работ Ю.Г. Тамберг сказал: \"Если человек умеет хорошо решать задачи, значит, он хорошо мыслит\". Учить мыслить нестандартно, преодолевать шаблонность ума, управлять процессом мышления трудно, но интересно.

В школе и ВУЗе учащиеся сталкиваются в основном с \"закрытыми\" задачами, на производстве и в быту - с \"открытыми\". Противоречие это наболело и время его решения наступает. Очередной шаг за школой...

Откроем клетку?