5 марта 2017 г.

Нестеренко А.А. Модель ЭПЗ в обучении.

Нестеренко Алла Александровна (Петрозаводск, Россия)

Nesterenko Alla (Petrozavodsk, Russia)

 

Модель ЭПЗ в обучении.

Model EPZ in training.

Цель статьи -  проанализировать некоторые возможности использования модели «Элемент – Имя Признака – Значение Признака» (далее – ЭПЗ) как логической основы для описания и преобразования элементов мира и, следовательно, для обучения работе со знаниями.

The purpose of clause - to analyze some opportunities of use of model “an Element - Name of an Attribute - Meaning of an Attribute» (further - ЭПЗ) as logic basis for the description and transformation of elements of the world and, hence, for training to work with knowledge.

 

Модель ЭПЗ была  внесена в ОТСМ-ТРИЗ Н.Н. Хоменко из теории искусственного интеллекта для описания элементов, с которыми приходится иметь дело в процессе работы над проблемой.

Модель достаточно универсальна.

Под элементом может пониматься все, что угодно (объект, процесс, модель, инструмент, эффект, прием, характеристика). Это позволяет использовать модель на различных уровнях абстракции.

Признак  (имя признака) – название характеристики, параметр  описания.

В конкретном случае признак может принимать  различные значения.

Примеры:

 Элемент

Имя признака

Значение признака

Уравнение

 Порядок

Квадратное

Левая часть

 Х2-6

 

Положение на координатной плоскости

 Координата Х

  65,7

Координата У

- 2,14

Вероятно, реальный элемент описывается бесконечным множеством признаков, причем возможны различные варианты описания (различные способы выбора признаков).

В работе Н.Н. Хоменко и А.Б. Сокола «Перечень навыков ОТСМ-ТРИЗ» предложен список интеллектуальных умений, необходимых для применения модели ЭПЗ в контексте работы со знаниями.

В  представленной работе сделан акцент на использование модели ЭПЗ как инструмента для обучения  анализу, синтезу и преобразованию  более частных моделей (здесь и ниже понятие «модель» означает модель конкретного множества элементов мира, построенную на основе модели ЭПЗ).

С целью показать различные контексты применения модели, а также осветить некоторые терминологические проблемы, рассмотрен ряд аналогий модели ЭПЗ: морфологическая таблица, базы данных, модели объектного программирования, а также некоторые учебные курсы, обучающие работе с признаками.

Далее обсуждается понятие модели «в терминах»  ЭПЗ.

Предлагается определять модель как систему признаков. Системный эффект модели должен обеспечивать функцию, ради которой она создавалась.

Чем больше признаков, тем конкретнее модель.  Чем признаков меньше, тем выше абстракция. Переход от абстрактного к конкретному в простых моделях – это просто добавление существенных признаков, обратный переход -  их вычитание.

Предполагается, что  модель представима как 2 группы признаков.

1-я группа отражает существенные признаки моделируемого объекта: их имена и спектр возможных значений.

2-я группа отражает те признаки, которые отличают модель от объекта и помогают решать проблему.

Опираясь на модель ЭПЗ, можно целенаправленно учить детей работать с моделями. Как показано в работе И. Мурашковски «Интегрированный подход к формированию умений», умение работать с моделями включает умения узнавать, изменять, применять и создавать их.

В статье аргументируется мнение, что процесс обучения (так же, как и современные технологии работы со знаниями) направлен на получение новых классов типовых решений, ставится вопрос о том, что может дать для работы со знаниями модель ЭПЗ.

Сравнение работы с моделями в различных системах обучения показывает, что технологии развивающего обучения предоставляют ученикам больше самостоятельности в обращении с моделями, но ни одна из систем не обеспечивает обучения построению моделей.

Далее рассмотрены задачи, которые  необходимо решать, чтобы уметь узнавать модель.

1). Классификация.

Предполагает  умение провести рассуждения типа: этот элемент обладает признаками  <…, …>, следовательно, он относится к множеству (группе) <…>, следовательно, его можно  создавать (изменять, использовать) следующими стандартными способами: <…>.

2). Определение объекта.

В принципе чтобы определить объект, надо описать все его существенные признаки. Но возникает противоречие:  набор признаков должен быть большим, чтоб достаточно точно определить объект и должен быть маленьким, чтоб удобнее было использовать определение. Оно решается за счет установления родовидовых отношений:  в определении указывается род (т.е. множество объектов, в которые попадают элементы нашего типа) и те существенные признаки, которые отличают определяемое множество элементов от остальных.

Отсюда – необходимость сформировать следующие важные умения: 

  • Умение строить  вложенные множества  и определять элемент через множества более высокого уровня 
  • Умение определять признаки, которые наследуются из «внешнего» множества

Таким образом,  определение предполагает рассуждения типа:

Этот элемент относится к группе <B>, которая входит в группу <A>, следовательно, он обладает признаками группы <A>, следовательно, его можно  создавать (изменять, использовать) следующим образом <…>.

Несложно показать, что психологическая инерция тоже может быть обусловлена неправильной работой с признаками. Анализ фонда задач на ПИ  показывает, что большинство так называемых задач-ловушек связаны с мнимыми противоречиями, возникающими из-за неграмотной работы с признаками. Опираясь на определение объектов и на модель ЭПЗ можно учить детей решать ловушки и, что важнее, самостоятельно строить их.

Одно из проявлений ПИ - привычка использования признаков, которые «лежат на поверхности сознания» (часто используются, недавно использовались).

Поэтому очень важным тренингом в каждом учебном предмете является тренинг на выявление скрытых ресурсов задачи (иными словами – тех значений признаков, которые не заданы явно).

Далее в  статье рассматривается более сложная задача изучения модели.

Предложено принять рабочее определение: «Изучать модель» – значит, выяснять, как связаны одни значения одних признаков с другими значениями других признаков, опираясь на многоэкранную схему.

Представлен анализ цепочки «гипотеза – наблюдение – эксперимент» в терминах модели ЭПЗ.

Наблюдения

Если описывать элементы в модели ЭПЗ, то становятся очевидными 2 вещи:

1). Наблюдение сопровождается процессом построения модели.

2). Наблюдение всегда дает информационный фонд (в привычной нам ТРИЗ-терминологии – картотеку).

Гипотезы

В исследовательской деятельности учеников, можно выделить работу с гипотезами 2-х видов:

1). Фиксация  устойчивой связи признаков (или устойчивых значений). Связь может, в частности, описываться достаточно сложной математической моделью.

Такая гипотеза дает нам:

  • «свойство» (если объект принадлежит данному классу <…>, то признаки <..> имеют  значения <…>)
  •  «эффект» (если «на входе» мы имеем  значения <…> признаков <…>, то «на выходе» другие признаки <…> имеют значения <…>).

Из сказанного выше видно, что в принципе в  модели ЭПЗ можно не делать разницы между свойством и эффектом.

Аналогичным образом описывается и закон,  разница только в масштабе обобщения.

Другой вид гипотез касается объяснения механизмов явлений. В простом случае это поиск ресурсов в многоэкранной схеме, в более сложном –  «диверсионная» изобретательская задача.

Эксперимент или доказательство

Чтобы получить право на применение  полученных правил действия с объектами, гипотезы о свойствах, эффектах, законах должны быть  проверены экспериментом и / или строго доказаны.

Вопрос экспериментальной проверки гипотезы в методическом плане тоже разработан пока слабо.  На сегодня нам известно следующее.

  • Можно выделить: эксперименты на объектах, на моделях и мысленные эксперименты.
  • Знание типовых решений (правил) позволяет проводить мысленные эксперименты.
  • Часто именно построение удобной модели играет решающую роль.

В науке известны принципы построения эксперимента:

  • проверяемый признак должен меняться в эксперименте, остальные должны оставаться без изменений;
  • гипотеза должна быть проверена на определенном количестве элементов данного класса.

Однако эти принципы позволяют легко проектировать эксперименты только для очень простых гипотез. Сложности возникают  за счет того, что не всегда удается «разделить» связанные признаки как «на входе», так и «на выходе» и, соответственно, не всегда удается установить причинно-следственную связь.  Добавим еще, что в современном естествознании далеко не всегда «работают» причинно-следственные цепочки объяснений.  Эти проблемы показаны на примере биологических гипотез в работе нашей ученицы.

Полученные законы и свойства в случае, если они подтверждены экспериментом или доказаны, дают нам правила действия с изученными элементами, т.е. дают спектр типовых решений, которые можно применять к изученным элементам.

Следует добавить, технология «наблюдение – гипотеза – эксперимент» нелинейна, и, вероятно, так же, как и технологии решения сложных проблем, имеет фрактальную структуру.

Синтез модели

Опираясь на модель ЭПЗ, можно предложить следующий  алгоритм построения модели.

1). Определить цель.

2). Определить элементы, с которыми необходимо работать.

3). Выявить существенные признаки.

4). Собрать  картотеку элементов, описывая их по выбранным признакам.

5). Определить, какие из выбранных признаков связаны между собой и каким образом?

6). Если необходимо,  несущественные признаки изменить так, чтоб получилась удобная для использования модель.

7).Проверить и скорректировать модель.

Мы отлаживали алгоритм во фронтальном диалоге, но не учили детей на уроках строить модели самостоятельно. В старших классах учащиеся делали это в своих исследовательских работах. 

Однако даже такое «полуактивное» моделирование позволило нам провести на уроках ТРИЗ и РТВ (позднее – гуманитарной ТРИЗ) серию поисковых работ. Наиболее хорошо мы освоили работы, результатами которых были алгоритмы синтеза некоторого класса объектов.

Пример такой поисковой работы по теме «орнаменты» (9 класс)  описан в статье.

Выводы:

  • Использование модели ЭПЗ как универсального способа описания различных элементов мира позволяет научить классифицировать и определять объекты, а также обучать некоторым навыкам исследовательской работы. В результате такой работы дети получают новые знания: в виде алгоритмов синтеза некоторого класса элементов или правил «обращения» с элементами определенного класса.
  • Центральным звеном в предлагаемой работе со знаниями является модель, инструменты, эффекты, законы удобно рассматривать как производные от исследования и применения модели   изучаемых элементов мира.

 

В заключении хотелось бы  очертить границы полученных результатов в контексте технологий решения проблем .

В работе показано, что, используя модель ЭПЗ, можно эффективно учить  поиску известных типовых решений (за счет классификации элементов) и выходу на новые множества типовых решений (за счет построения и исследования моделей).

За рамками этой работы остались приемы выхода на нестандартные решения путем простого преобразования типовых решений или готовых ресурсов. Соответствующие технологии представлены в литературе по педагогике + ТРИЗ (работы В.А. Бухвалова, Н.Б.Голицыной, А.Л.Камина, А.В. Корзун, Ю.С. Мурашковского и др.)

 Надо отметить, что наиболее слабо освоены в методическом плане технологии решения сложных нетиповых задач. Представляется, что освоение модели ЭПЗ как универсальной логической основы работы со знаниями – необходимое, но не достаточное условие освоение подобного рода технологий. Необходимо создавать методику обучения работе с системой противоречий.

На материале различных учебных предметов, на их специфических ресурсах нам нужно научиться учить детей строить путь от первоначально нечеткого описания исходной ситуации (где часть признаков известна, часть – нет) к такому же – первоначально нечеткому образу решения (где тоже не все признаки известны), уточняя значения признаков «на входе» и «на выходе», преодолевая возникающие в разных точках пути противоречия, преобразуя ресурсы с помощью типовых решений. 

Педагогике нужны технологии работы с проблемой.