ДИДАКТИЧЕСКИЕ ОСНОВАНИЯ ОБУЧЕНИЯ СТАРШЕКЛАССНИКОВ РЕШЕНИЮ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ И ИЗОБРЕТАТЕЛЬСКИХ ЗАДАЧ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АЛГОРИТМИЧЕСКИХ ПРОЦЕДУР

Аннотация: в статье показана система обучения школьников решению исследовательских и изобретательских задач на основе алгоритмических процедур. Дано понятие исследовательских и изобретательских задач, сформулированы требования к ним. Определены дидактические основания, на которых строится представленная система.

 Для активной жизни в динамичном, стремительно изменяющемся мире, сегодня недостаточно знаний, умений и навыков, которым обучает нынешняя школа. Резко возрастает объем информации, появляются неизвестные ранее сферы деятельности, новые высокие технологии, новые специальности. Сегодня актуальным становится умение действовать в нестандартной ситуации; анализировать информацию, принимать решения и прогнозировать результаты; быстро и продуктивно включаться в незнакомые виды деятельности; ставить перед собой цели и достигать их; устанавливать эффективные отношения с коллегами и партнерами; уметь работать в команде; быть готовым к самообучению. Сформировать у учащихся необходимые качества способно обучение, ориентированное на развитие креативности, на формирование у школьников умения решать открытые нестандартные задачи.

Нами разработана система обучения школьников решению исследовательских и изобретательских задач, в основе которой лежит применение адаптированных алгоритмов теории решения изобретательских задач (ТРИЗ).

Разработанная система включает: исследовательские и изобретательские задачи, которые по своей сути являются открытыми творческими задачами; алгоритмические процедуры для их решения (содержательные характеристики системы); порядок включения указанных компонентов в учебный процесс (процессуальные характеристики).

Рассмотрим элементы разработанной системы. Начнем с задач. Творческие задачи  — это задачи, способ решения которых неизвестен, и, прежде чем решать задачу, его надо найти. При решении творческих задач нельзя прямо применить известные способы решения. Они могут быть скомбинированы, перенесены в незнакомую ситуацию. В решении творческих задач прямое использование алгоритма также невозможно, так как в традиционном понимании алгоритм  — это последовательность действий, гарантированно приводящая к поставленной цели, т.е. к решению задачи. Однако в ходе решения творческой задачи алгоритмы могут быть использованы для достижения специфических целей: переформулирования условия, упрощения его, сокращения вариантов в ходе перебора возможных стратегий решения, нахождения большего числа идей.

Изобретательские задачи  — это задачи, в которых требуется найти выход из нестандартной (проблемной) ситуации. Изобретательская задача возникает, когда не существует стандартных, традиционных способов решения или использование таких способов в поставленных условиях невозможно.Изобретательская задача ставит перед решателем вопрос: «Как быть?». При решении изобретательской задачи грамотного применения традиционных знаний, умений инавыков, как правило, недостаточно. Необходим «инсайт», озарение, догадка, облегчить появление которых призваны алгоритмические процедуры.

Примером изобретательских задач являются следующие:

Исследовательской мы считаем задачу, в которой необходимо объяснить непонятное явление, выявить его причины. В этом случае ключевыми являются вопросы: как это происходит? Почему это происходит? Обычно при решении исследовательской задачи возникает набор ответов-гипотез.

Примеры исследовательских задач:

Анализируя условие, вопрос и возможность решения изобретательских и исследовательских задач, мы выявили три основных требования к условию открытой учебной (изобретательской или исследовательской) задачи:

• достаточность условия;
• корректность вопроса;
• наличие противоречия.

Проявление названных условий рассмотрим на примерах.

Можно ли утверждать, что условие задачи «В плену у крокодилов» достаточно? Несомненно. Достаточность условия не подразумевает того, что все данные для решения, как в традиционной школьной задаче, даны в условии. В задаче рассматривается ситуация, когда летчики на гидроплане сели на озеро и обнаружили вокруг себя крокодилов. Как их отогнать? В условии НЕ сообщается, что на самолете есть топливо  — об этом надо догадаться, как и о том, что крокодилы не любят нефти и её производных. То есть совершить творческий акт мышления. В то же время это условие достаточное, потому что в нем есть информация, позволяющая догадаться о том, что в распоряжении летчиков есть нефть (точнее  — её производная), а знания учащихся старшего школьного возраста достаточны, чтобы сделать вывод о её применимости для разгона крокодилов.

Резюмируя сказанное, отметим: условие открытой учебной задачи достаточно, если недостающие данные могут быть «вычислены» из данной в условии информации, или найдены учащимся (с учетом его возраста и уже освоенных компетенций) в открытом информационном пространстве (словари, справочники…), или присутствуют в его опыте, либо в объеме уже освоенных знаний.Корректность вопроса в задаче соблюдена  — чётко указана цель «немедленно взлетать!». Противоречие в задачу внесено путём анализа невозможности выполнения цели путём простого «лобового» решения  —подстрелить крокодила.

Рассмотрев исследовательские и изобретательские задачи, перейдем к алгоритмическим процедурам. Алгоритмические процедуры не являются чёткими алгоритмами, правильное выполнение которых гарантированно приводит к решению творческой задачи. Это — пошаговые процедуры переформулирования первоначальной задачи и применения различных эвристических приёмов для её решения. Решая задачу с использованием алгоритмических процедур, изобретатель по установленным правилам корректирует первоначальную формулировку задачи, строит модель задачи, определяет имеющиеся ресурсы, формулирует идеальный конечный результат, выявляет и анализирует противоречия, применяет специальные приемы преодоления психологической инерции.

В разработанной нами системе применяются алгоритмические процедуры трех уровней. Каждый уровень сложнее предыдущего и, в снятом виде, включает алгоритмические процедуры предыдущего, расширяя их и увеличивая количество действий внутри каждого этапа.

Поскольку алгоритмические процедуры разработаны для детей, то используемые аббревиатуры содержат в скрытом виде возможности эмоционального воздействия. Для них алгоритмическая процедура называется «ПРИЗ» — сокращение от «процедура решения изобретательской (исследовательской) задачи», и, вместе с тем, символически обозначает решение задачи как ожидание «приза» — полученного удовольствия от решения, эмоционального всплеска, вызванного пониманием «Я сумел!», «Я смог!».

Обратимся к разработанным нами алгоритмическим процедурам.

ПРИЗ -1

Часть 1. Подготовка к работе

Прочитайте условие задачи, сформулируйте его простыми словами без специальных терминов.

Запишите условие задачи в традиционной форме (дано, найти).

Часть 2. Системный подход

Проанализируйте условие задачи и ответьте на следующие вопросы:

1. Какой объект в данной задаче основной? Из каких частей или элементов он состоит?
2. Какие объекты находятся вокруг основного объекта? С какими объектами и как он взаимодействует?
3. Какие процессы протекают в самом объекте, с его участием и вокруг него?

Часть 3. Выдвижение гипотез

Подумайте, как перечисленные ниже явления могли бы способствовать получению необходимого в условии задачи результата. Сформулируйте гипотезы.

Далее часть 3 «Выдвижение гипотез» приобретает специфику при решении физических и биологических задач.

Для задач с физическим содержанием ученикам предлагается рассмотреть следующие явления: механические,акустические,тепловые,электрические,магнитные, электромагнитные,оптические,ядерные,химические,биологические,психологические.

Для задач, в которых требуется объяснить анатомические, физиологические или этологические особенности биологических существ, необходимо переформулировать задачу по приёму «Зри в корень» и использовать «ДОГОВОР с природой» (ДОГОВОР  — это также аббревиатура, но несущая определенный смысл, что позволяет облегчить запоминание: Любой организм живет в окружающей среде. И чтобы жить, ему необходимо осуществлять все жизненно важные процессы. Эти процессы, направленные на сохранение жизни, можно зашифровать одним словом  — ДОГОВОР (Дыхание, Обмен веществ, Гомеостаз, Обмен энергии, Выживание, Обмен информацией, Размножение). Образно говоря, организм как бы заключает ДОГОВОР с окружающей его природой  — об условиях своего существования и выживания в природе).

Суть приёма «Зри в корень» в том, что вместо общего вопроса «Почему данному биологическому существу присуща данная особенность» задаётся вопрос «Как данная особенность помогает биологическому существу выполнять функции, позволяющие ему существовать в природе»[2].

Часть 4. Отбор гипотез

Отберите наиболее вероятные гипотезы и расставьте их в порядке убывания правдоподобности.

Часть 5. Проверка гипотез

Предложите эксперименты (в том числе мысленные) по проверке каждой вероятной гипотезы.

Если можете, выполните соответствующие расчеты.

ПРИЗ-1 самая простая, первая версия алгоритма решения открытой (исследовательской или изобретательской) задачи.

Формулировки шагов ПРИЗ-1 разработаны таким образом, что они более подходят для решения исследовательских задач. Это сделано намеренно. ПРИЗ-1 может быть использован в традиционных школьных курсах физики и биологии. А исследовательские задачи лучше согласуются с традиционными курсами естественных наук.

Для профильных классов мы предлагаем более сложные, но и более эффективные алгоритмы ПРИЗ-2 и ПРИЗ-3.

Шаги этих алгоритмов сформулированы под решение изобретательских задач. Исследовательские задачи решаются с помощью этих алгоритмов после предварительной переформулировки с помощью приема «Обращение задачи» (предложен Б. Злотиным), в результате чего условие исследовательской задачи подаётся в изобретательской постановке.

Суть приёма в том, что условие исследовательской задачи обращается (т.е. переформулируется) таким образом, чтобы задача стала изобретательской. То есть вместо задачи «Как объяснить или понять то или иное явление в той или иной системе?» решается задача «Как в данной системе это явление получить?». Целесообразность приёма в том, что в такой постановке решать задачу удобно, привлекая весь решательный аппарат ТРИЗ: приемы устранения технических противоречий, стандарты на решение изобретательских задач, алгоритм решения изобретательских задач, информационные фонды, ресурсный подход. В отличие от обычной изобретательской задачи, при решении обращенной задачи обязательным становится использование внутрисистемных ресурсов, ведь если явление происходит, значит, все необходимые для этого ресурсы в системе имеются. Полученное решение позволяет сформулировать гипотезу о механизме проявления изучаемого явления с последующей проверкой.

Приём обращения сначала стал активно использоваться специалистами по ТРИЗ при решении задач, возникающих при необходимости поиска причин брака в производственном процессе, а впоследствии и в научной деятельности.

Пример переформулирования задачи по приёму «Обращение задачи».

Первоначальная формулировка задачи:

В пустыне построили несколько ветрогенераторов для выработки электроэнергии. Однако оказалось, что их КПД оказался меньше расчетного, хотя силы ветров и все инженерные расчёты оказались верными. Особенно эффективность ветрогенераторов уменьшалась по ночам. Почему?

Формулировка обращённой задачи:

Каким образом можно уменьшить КПД ветрогенераторов в пустыне при постоянной силе ветра?

ПРИЗ-2 представляет собой алгоритм из 4 частей. Основное отличие от ПРИЗ-1 содержится в части второй: «Поиск идеи». Во-первых, здесь в качестве решательного механизма предлагается рекуррентная (повторяющаяся) процедура поиска «условий выполнения» решения. Во-вторых, добавляется использование ряда приемов (наиболее «сильных») из списка приемов устранения противоречий Г.С.Альтшуллера[3].

ПРИЗ-3 отличается от ПРИЗ-2 добавлением во вторую часть решательного механизма ИКР (идеальный конечный результат) и наличием части пятой, целью которой является рефлексия по результатам решения задачи.

Обучение школьников решению исследовательских и изобретательских задач происходит:

- на уроках естественных дисциплин, когда завершается изучение большой темы;

- в ходе специально разработанного нами элективного курса «Учись мыслить смело» для учащихся 9-10-х классов;

- в процессе учебных погружений, на которые отводится 24 учебных часа, включаются темы: качества творческой личности, работа с информацией, решение задач.

В качестве форм работы используются, наряду с известными, специально разработанные нами игры:

- «НИЛ  — научно-исследовательская лаборатория», в игре моделируется деятельность научного коллектива по решению определенной научной проблемы. Класс делится на группы, роль руководителя лаборатории выполняет учитель, давая задания группам «исследователей», которые решают проблему и представляют ее решение «приемной комиссии». По сути  — это групповая работа учащихся, но облеченная в форму ролевой игры с исследовательским акцентом.

«Да-нетка» — игра учит правильно задавать вопросы. Учитель загадывает какой-либо объект (число, предмет, литературного героя), ученики, задавая вопросы и получая ответы только «да», «нет», «и да, и нет», пытаются выяснить, какой объект загадан. От аналогичной, всем известной игры, игра отличается обсуждением характера вопросов: какие вопросы были сильными, какие  — слабыми, как надо было переформулировать слабые вопросы, чтобы они эффективно «работали» на ответ.

«Компетентность» — в игре формируются три группы учащихся  — две группы  — «конкуренты», одна группа  — «наниматели», которая будет определять победителя.Во время игры: а) учитель задает тему; б) команды придумывают друг для друга по 5 заданий по этой теме (тип заданий регламентируется заранее учителем,например: команды должны приготовить по 2 репродуктивных вопроса, по 1 творческому и по 2 задачи); в) команды поочередно дают друг другу задания и вопросы,одновременно с этим фирма-наниматель оценивает, например по 5-балльной системе, каждое задание, и по 10-балльной системе каждый ответ; г) наниматели совещаются и принимают решение — кто принят на работу. А пока наниматели совещаются, учитель делает краткий «разбор полета», обращает внимание на ошибки, делает выводы.[4]

«Креатив-бой», по форме напоминает широко известные игры «Что, где, когда?» или «Брейн-ринг», но есть и существенное отличие. В качестве заданий в «Креатив-бое» предлагаются открытые (изобретательские или исследовательские) задачи. Такие задачи не всегда имеют единственно правильный ответ. Участникам «боя» требуется не столько эрудиция (знание фактов или событий), сколько умение объединять самые разные знания и творчески их применять. В одном бое они могут столкнуться с задачами, для решения которых необходимы знание физики, биологии, техники, а также разнообразные бытовые знания. Желательно, чтобы у предложенных задач было много вариантов решения, а также несколько вариантов ответов. Жюри «Боя» состоит из экспертов, которые оценивают качество предложенных ответов, полноту их обоснования, а также системность подхода и оригинальность решений [5].

Описав содержательные и процессуальные аспекты обучения школьников решению изобретательских и исследовательских задач, сформулируем дидактические основания применения алгоритмических процедур в обучении школьников решению творческих задач:

Применение разработанной нами системы обучения школьников решению исследовательских и изобретательских задач с естественнонаучным содержанием способствует повышению их познавательной мотивации, развитию креативности, дает возможность успешно адаптироваться к жизни в быстро меняющемся мире.

В заключение приведем несколько отзывов детей  — участников погружения в решение исследовательских и изобретательских задач, проведенного на Ямале в декабре 2011 г.:

• Очень интересные задания, интересные факты… Все вообще здорово! Я в восторге!
• Не было таких моментов, когда мне было бы неинтересно. Я узнал новые способы мыслить, и они действительно работают.
• Сильно понравилось ощущение важности каждого мнения, каким бы бредовым оно не казалось. Рассматривались действительно интересные и полезные вещи.
• Я узнал о ТРИЗ, о выдающихся людях, о том, как они достигали своих целей.
• Мне понравилась та свобода мышления, которую нам дали. Любая задача требовала не столько правильного ответа, сколько разнообразных путей ее решения. Я разучился мыслить однобоко.
• Эти занятия породили во мне желание учиться во всех направлениях. Да и с физикой  — оказывается она намного интереснее. Буду больше читать различной литературы; обучаться не только в школе, но и дома; вообще везде, где это возможно. Буду сама придумывать и изобретать.
• Задачи были действительно непростыми, но это вызывало еще больше интереса. Также интересно было слушать мнение других ребят, развивать их мысли. Я научилась подходить к решению задач с разных сторон и думаю, что это действительно пригодится мне в жизни. Я бы с удовольствием посещала регулярно такие занятия.
• Мне очень понравилась работа в команде. Мы научились мыслить креативней, рациональней и более правильно. И, главное, не бояться высказывать свои мысли. Думаю, что пользы было больше, чем, если бы я пошел на уроки. Я бы хотел, чтобы такие семинары были как можно чаще.
• На этих курсах я наконец-то попробовал себя в своем деле. Кто-то с 7 лет танцует, кто-то играет на гитаре, кто-то рисует… Я играю мыслями. Каждая задача для меня  — как существо, которое нуждается в помощи. Пока не решу  — не успокоюсь. На семинаре я утвердился в своих решениях и выводах и понял, что это мое. Отличная программа, отличный курс. Понравилось все. Спасибо! [6].

Литература

1. Гин А., Кавтрев А. Объяснить необъяснимое // Серия «Библиотека Мир 2.0».  — М.: ВИТА-ПРЕСС, 2012.
2. Гин А. А., Андржеевская И. Ю. 150 творческих задач о том, что нас окружает: учеб.-методич. пособие. .  — М.: ВИТА-ПРЕСС, 2012.
3. Альтшуллер Г. С. Найти идею: Введение в теорию решения изобретательских задач / Г. С. Альтшуллер.  — 3-е издание.  — М.: Альпина Паблишерз, 2010.
4. Гин А. А. Приемы педагогической техники: Свобода выбора. Открытость. Деятельность. Обратная связь. Идеальность: Пособие для учителей.  — М.: Вита-Пресс. 2012.
5. Гин А. А., Кавтрев А. Ф. «Креатив-бой»: как его провести: метод. Пособие для общеобразоват. школ и учрежд. дополн. образования.  — М.: ВИТА-ПРЕСС, 2012.
6. Кавтрев А. Отчёт о семинаре на Ямале, декабрь 2011. Электронный ресурс http://www.trizway.com/art/search/350.html Дата обращения 18 апреля 2013 г.

Зарегистрироваться на семинары по ТРИЗ-педагогике для учителей можно здесь. 

Хотите не пропустить новые интересные статьи и быть в курсе наших новостей? Подписывайтесь на рассылку! Письмо со всеми новыми материалами сайта, объявлениями и новостями будет приходить к Вам 1 раз в месяц.