Н.Б. Голицына, А.А. Нестеренко

Курс биологии в системе ТРИЗ-эксперимента

1. Общие сведения

Экспериментальный курс биологии преподавался в рамках эксперимента «Введение элементов ТРИЗ в школьные образовательные программы с целью развития творческих способностей учащихся» в течение всего срока обучения экспериментального класса (с 6-го по 11 класс). Разработкой и преподаванием курса занималась Н.Б. Голицына, учитель, прошедший обучение по ТРИЗ по «инженерной» программе. В начальной школе преподавался пропедевтический курс естествознания, биологическая часть которого курировалась тем же учителем биологии. Преподавание велось по стандартным учебникам. Однако в большей степени ученики пользовались конспектами уроков, раздаточными материалами и собственными картотеками.

Мониторинг осуществлялся:

• через оценки творческих работ детей (наблюдений, картотек, решения задач);

• через контрольные, срезовые, зачетные работы, составленные учителем;

• через диагностические контрольные работы (ДКР), которые разрабатывались администрацией или учителями школы и проводились во всех классах параллели.

  Надо отметить, что коэффициент обученности экспериментального класса всегда соответствовал гимназическим нормам (более 0,7, обычно превышал 0,8) и часто оказывался выше, чем в «отобранных» гимназических классах. По заданиям творческого уровня экспериментальный класс, как правило, показывал более высокие результаты.

  В данной статье мы попытаемся описать систему моделей и технологий работы с ними, на основе которой формировался экспериментальный курс.

2. Содержание курса

Содержание учебного курса определяется образовательным стандартом, в рамках которого учитель может менять порядок изучения тем и структуру изучаемого материала. При этом традиционный учебник и административный контроль не оставляют свободы существенно изменять программу. Таким образом, речь идет о построении иной системы обучения в достаточно жестко заданных рамках.

Курс биологии изучает феномен жизни, как сложно организованной открытой термодинамической системы, способной к самоорганизации, саморегуляции и саморазвитию. Это – современное научное представление, далеко не окончательное.

Мы старались строить курс биологии как осознанный, шаг за шагом все более подробный, ответ самих учеников на вопрос «ЧТО ТАКОЕ ЖИЗНЬ».

Ведущим подходом в современной биологической науке является системный, но в практике школьного преподавания он отработан слабо. Противоречие состоит в том, что сама наука использует в большей степени старые модели (это отражается в учебниках), а детей надо научить оперировать новыми моделями, т. к. иначе они не смогут заниматься наукой в будущем. Так, рассматривая биологический объект в модели системного оператора, необходимо изучить различные «экраны» и связи между ними, а содержание биологии как предмета этого не предполагает.

Эту проблему мы решали следующим путем:

1).Строили модельный объект биосистемы и иерархии биосистем (общебиологическую модель), т.е., опираясь на эмпирические знания и отработанный при изучении ТРИЗ системный подход, выделили признаки и свойства живого (см. рис.1).

2). Рассматривали в этой модели конкретные биологические объекты, постепенно уточняя ее (начали с растений, что определялось стремлением приблизить содержание к традиционной программе, но могли бы, очевидно, взять и другой биологический объект).

Заметим, что мы работали на организменном уровне, т.к. он очевиднее для восприятия (как любой объект, традиционно воспринимаемый как целое). Однако такой путь не является единственно возможным.

Таким образом, изучение курса было организовано по следующей схеме:

1. Построение абстрактной модели (модель структуры биосистемы, модели процессов питания, дыхания, размножения, биосинтеза и т.п.)

2. Изучение на базе построенной схемы конкретного класса биологических объектов (например, растений);

3. Уточнение абстрактной модели с учетом конкретных ресурсов на основе материала, полученного на шаге 2. (Как размножаются, питаются, дышат растения? Какие они имеют для этого приспособления на разных системных уровнях?)

4. Изучение конкретных представителей класса объектов (биологические структура и процессы у водорослей).

5. Изучение нового класса объектов, появление которого связывалось с изменением ресурсов окружающей среды и возможностями организмов (лишайники).

   и т.д.

   Мы начали с главной проблемы курса – «что такое жизнь?» Первый приблизительный ответ на этот вопрос мы дали сразу, основываясь на эмпирических представлениях (т.е. создали «плохую», примитивную модель), затем постепенно уточняли ответ (т.е. пытались эту модель улучшить).

   Поскольку свойства живого можно рассматривать как базовые функции биологической системы, в нашем курсе биологии был реализован путь изучения: от функции и заданных ресурсов – к биологическим структурам. Заметим, что в традиционной дидактике изучение биологии всегда велось от структуры к функции (в традиционном курсе: изучаются жабры, их устройство, их функция; в экспериментальном курсе рассматривается какой должна быть структура для выполнения функции газообмена у водного многоклеточного животного).

    

   Параллельно мы пытались организовать в экспериментальном классе процесс освоения общей технологии получения научного знания. Нам не удалось реализовать это в полной мере. Однако мы уверены, что этот процесс можно строить по аналогичной схеме: от общей простой модели «гипотеза – наблюдение - эксперимент» к подробной технологии выполнения каждого этапа. Причем  ученики могут самостоятельно «открывать» для себя эту технологию.

3. Модели ТРИЗ как инструменты в изучении курса биологии

3.1. Модель системного оператора (многоэкранная схема).

Эта модель /1/ была освоена детьми в начальной школе, и уже в начальной школе в курсе природоведения ученики строили «системные лифты» (вертикаль многоэкранной схемы) для конкретных живых организмов, в полной многоэкранной схеме рассматривали взаимное влияние биологических систем.

Ниже представлены варианты использования многоэкранной схемы в экспериментальном курсе.

Таблица 1. Использование системного оператора (СО) в экспериментальном курсе биологии

Рассмотрим в качестве примера использование многоэкранной схемы для постановки и ответов на вопросы о приспособлениях к фотосинтезу (ставили вопросы и самостоятельно отвечали на них учащиеся 6–го класса).

Таблица 2. Приспособления растения к улавливанию солнечного света.

В качестве дополнительного творческого задания детям было предложено изобрести новую крону.

Многоэкранная схема позволила инструментовать подход «от функции – к структуре», изучить способы реализации функций на различных этажах системы. Такой подход порождает поле для творчества детей.

3.2. Моделирование физических и химических процессов с помощью ММЧ и его модификаций.

Понимание биологии невозможно без базовых представлений в области химии.

Для моделирования молекул мы использовали модель «многоруких человечков» (количество рук изображают валентность – идея Ю.С. Мурашковского). Это позволило объяснить различие между органическими и неорганическими молекулами и возможность их взаимопревращений (см.рис.2).

3.3. Использование «решательных» инструментов ТРИЗ (противоречие – ИКР -ресурсы, вепольный анализ).

 Инструменты ТРИЗ изучалась в курсе «РТВ: реальный мир» с начальной школы и применялась для решения проблем в курсе биологии.

Таблица 3. Использование «решательных» инструментов ТРИЗ в курсе биологии

В качестве источников задач учитель может использовать работы /2/, /4/, /7/ и /9/, однако обеспечить нормальную работу в проблемном режиме можно только путем синтеза проблемных задач непосредственно на  изучаемом в классе материале.

4. Технологии изучения экспериментального курса

В технологическом плане изучение курса можно классифицировать следующим образом:

• технологии классификации;

• технологии «переизобретения» биологических систем и процессов;

• технология освоения научных способов познания.

4.1.Технологии классификации

Цель классификации – обеспечить возможность работы с большим числом объектов. Классификации в курсе биологии предполагает:

• выделение существенных признаков в контексте заданной проблемы (с этим связана возможность классифицировать по разным основаниям);

• изучение разнообразия представителей одной систематической группы (изучение границ варьирования признаков).

Проблема выявления существенных признаков и классификации решалась использованием игры «Да / нет» /10/.

Рассмотрим пример.

Тема. Классификация живых организмов. Построение биологического определителя.

• Раннее было выяснено, что множество живых организмов можно разделить на 5 групп (царств): бактерии, растения, грибы, животные, вирусы. Учитель обсуждает, по какому признаку или набору признаков получена эта классификация.

• Далее проводится игра «Да/нет»: загадан некий живой объект, цель игры – определить, к какому царству он относится.

• Затем анализируется и выбирается оптимальная последовательность вопросов: 1). Имеет / не имеет клеточное строение? 2). Есть / нет ядра. 3). Использует для питания органические / неорганические вещества. 4). Подвижное /неподвижное.

• Полученный материал позволяет ученикам самостоятельно составить простейший биологический определитель.

  Проблема изучения разнообразия внутри группы решалась сбором картотек.

  Учащиеся собирали индивидуальные картотеки (домашняя работа) и обменивались информацией в классе. Форма карточки (набор признаков) была задана.

   Примеры картотек: описание представителей отрядов млекопитающих, рыб, амфибий и т.д., семейств цветковых растений.

4.2. Технологии «переизобретения» биологических систем и процессов

4.2.1. Технология «Переизобретения» биологических приспособлений.

Данная технология предложена и подробно описана В.А. Бухваловым и Ю.С. Мурашковским в /4// В простых случаях это – цепочка противоречий, в более сложных – АРИЗ. Мы не внесли серьезных изменений в эту технологию. Следует только заметить, что ее применение полностью зависит от того, как учитель ставит задачу и как описывает ресурсы. Поверхностный анализ биологических функций приводит к большому количеству серьезных ошибок.

В качестве собственных удачных находок отметим использование в этой технологии моделирования биологического ресурса с помощью пластилина, бумаги, нитей и т.п. и последующее разрешение противоречия с опорой на модель.

Пример.

Проблема соотношения площади поверхности к объему в живых системах определяет многие моменты. Например, размеры клеток, их форму, является отправной точкой формирования специальных структур для выделения метаболитов, питания, для газообмена, теплообмена, транспорта и т.д. Ведь клеточная мембрана выполняет разнообразные функции, обеспечивая связь с окружающей средой, внешними ресурсами.

Противоречия между поверхностью и объемом может решаться обретением определенной пространственной формы. Форма меняется так, чтобы при одинаковом объеме поверхность была больше.

На уроке детям даются равные кусочки пластилина и задание: вылепить фигуру с максимально большой площадью поверхности. Получаются разные варианты: тонкий «блин», длинные нити. Кого-то осеняет – не один, а множество мелких, мелких шариков.

А теперь посмотрим, какая форма преобладает у представителей основных царств природы. Точечная – у бактерий, растения сочетают фотосинтезирующие плоскости и нитчатые корни, гифы грибов – это множество тонких нитей. А что-же животные? Тело многоклеточного животного имеет весьма компактную форму, с небольшой относительно объема площадью поверхности. Но главные обменные поверхности существуют, просто они упрятаны вовнутрь. Это и пищеварительный тракт и дыхательная система, и почки. Зачем упрятаны? Чтобы не мешать движению.

Каждое царство живой природы пошло по своему пути геометрического решения противоречия поверхность-объем и дети легко «переоткрывают» эти пути с помощью пластилиновых моделей (рис.3 ).

4.2.2. Технология «Переизобретения» биологического процесса.

Эта технология была разработана в процессе обучения экспериментального класса. Опишем ее более подробно.

1). Определяется цель процесса (функция системы, которую реализует данный процесс). Отталкиваясь от выбранного свойства живого, выстраиваем цепочку вопросов до момента, который мы не можем объяснить.

Пример. Процесс питания. 1).Зачем организмы питаются?

Цепочка вопросов (определяем цель процесса). Зачем организмы питаются? – Чтобы получать питательные вещества.- Зачем?- Чтобы строить или ремонтировать клетки организма…

2). Фиксируем цель процесса. Подбираем знакомую аналогию. По ней выделяем существенные признаки.

Что нужно для строительства чего-либо, например, дома?

-стройматериалы,

-чертеж,

- умелые рабочие с инструментами.

3). Учитель дает описание биологических ресурсов, которые выполняют обнаруженные роли.

Значит, клетке тоже нужны стройматериалы, чертеж и рабочие с инструментами. В этих ролях выступают разные группы молекул:

стройматериалы – органические или неорганические молекулы,

чертеж – молекулы ДНК,

прораб – молекулы РНК,

рабочие с инструментами – особые умелые молекулы белки –ферменты.

Есть ферменты, которые умеют сшивать молекулы.

Есть ферменты, которые умеют разрезать молекулы.

Есть молекулы – «батарейки», способные накапливать, а потом отдавать энергию.

4). Построение детьми образных моделей описанных ресурсов.

Задание: придумать символическое изображение этих молекул.

4.3. Технология освоения научных способов познания

 В рамках этой технологии мы пытались:

• обучить детей способу научного познания;

• научить использовать в процессе познания модели и инструменты ТРИЗ.

  В основе работы лежала традиционная схема «наблюдение – гипотеза – эксперимент». Раскроем особенности обучения на каждом этапе.

   Наблюдения.

   Наблюдение создает мотивацию для исследования биологических объектов и процессов. Самый первый и простой совет: «Посмотрите (послушайте, пощупайте, понюхайте и т.д., используя все 5 чувств) - и ответьте на вопрос: «Что происходит?»»

  Сегодня мы готовы предложить более инструментальную технологию, которая не была апробирована в экспериментальном курсе:

• перечислите признаки биологического объекта;

• сравните объекты одной группы между собой;

• найдите зависимости между признаками или изменения одного признака в зависимости от другого.

• Сформулируйте результат наблюдения в формате «если… то»: «Если наступает осень, то листья опадают». «Если растение выросло на каменистой почве, оно растет медленнее».

  Предполагается, что такой подход позволит учить наблюдать и фиксировать биологические эффекты.

  Гипотезы.

  Можно выделить 2 группы гипотез:

• гипотезы о наличии устойчивых связей (эффектов, явлений, закономерностей) и

• гипотезы о механизмах биологических явлений и эффектов.

  Гипотезы первой группы формулируются непосредственно в результате наблюдения (см. предыдущий пример) и отвечают на вопрос «Что происходит?» или «Что с чем связано?»

  Гипотезы 2-й группы предполагают объяснение явления. Они отвечают на вопросы «Зачем?», «Почему?» и «Каким образом?». Мы проводили специальные тренинги по формулированию такого рода гипотез. Для их создания использовалась полная многоэкранная схема: причины явления искали в различных «экранах» системного оператора.

  Пример. Осенью листья на деревьях желтеют. Почему?

  Ученики должны выдвинуть как можно больше предположений о причинах явления, которые строятся на разных уровнях системного оператора.

  С чем связано пожелтение листьев? (с потерей хлорофилла, с более интенсивным синтезом других пигментов, закрашивающих хлорофилл).

  Внешние факторы: Холодно. Изменяется освещение. Приспособление к будущей зимовке.

  Внутренние причины: Ограниченная продолжительность «работы» хлорофилла. «Изношенность» хлоропластов. Накопление вредных веществ (продуктов обмена). И т.д.

  Эксперименты.

  На этом этапе ученики должны научиться планировать проверку гипотез по следующей  схеме:

• стабилизируются условия,

• меняется только тот фактор, который предполагается значимым,

• наблюдаются результаты.

  Новых приемов мы здесь не использовали. По всей видимости, переход от абстрактной модели эксперимента (описания фиксированных и меняющихся признаков) к ее конкретной реализации требует дополнительной методической проработки.

  Стадия эксперимента связана, как правило, с решением ряда технических изобретательских задач и предполагает использование инструментов ТРИЗ.

5. Заключение

Представленный материал не исчерпывает все направления работы в рамках экспериментального курса биологии. Так, отдельной темой является пропедевтика основ химии, исследовательская и проектная работа учащихся по биологии и экологии.

Разработанный курс, как нам кажется, в целом отвечает современным требованиям к преподаванию биологии в школе:

• обеспечивает возможность раннего ознакомления учащихся с общебиологическими понятиями;

• поддерживает концентрический подход в изучении биологии;

• формирует системный подход;

• предоставляет возможности для творчества учащихся и формирование индивидуальной траектории развития;

• учит работать со знаниями.

• Наиболее серьезные изменения традиционного курса сделаны в программе 6-го класса, где были введены общебиологические представления.

   Тем, кто планирует использовать описанный подход в преподавании школьного курса биологии можно посоветовать:

  1). Использовать линию учебных пособий Пономаревой, Суховой и др.

  2). Освоить педагогические технологии активного обучения (групповая работа, поисковая работа, проектная работа).

  Открытым вопросом остается обеспечение дидактическим материалом.

Литература

1. Г.С. Альтшуллер. Творчество как точная наука.- М.: Советское радио, 1979.

2. И. Андржевская. Биология в открытых задачах. Насекомые //www.trizway.com

3. И. Андржевская. Синтез открытых задач. //www.trizway.com

4. В.А. Бухвалов, Ю.С. Мурашковский. Изобретаем черепаху.- Рига, 1993.

5. Н.Б. Голицына. Из опыта обучения биологии детей, освоивших азбуку ТРИЗ.- //«Развитие творческих способностей детей и использованием элементов ТРИЗ. 4-я региональная научно-практическая конференция. Тезисы докладов. Челябинск, 2001.// www.trizminsk.org

6. Г.И. Иванов. Формулы творчества или какнаучиться изобретать.- М.: Просвещение, 1994.

7. С.И. Модестов. Сборник творческих задач по биологии, экологии и ОБЖ.-СПб.:Акцидент,1998.

8. А.А. Нестеренко. Первая рефлексия ТРИЗ-эксперимента.//www.trizminsk.org

9. В.И. Тимохов. Сборник творческих задач по биологии, экологии и ТРИЗ.-СПб.:ТРИЗ-Шанс, 1996.

10. < >.Н. Хоменко. Игра да - нет при обучении ТРИЗ. // Журнал ТРИЗ. - 1992. - N2.4.// www.trizminsk.org