CC BY
1Б01:
Рубина Н.В.
Формирование исследовательских тем для школьников и студентов в рамках исследовательского проекта «Биологические эффекты»
Аннотация. Выбор Достойной Цели - важный этап в формировании Творческой Личности. Поиск Достойной Цели часто связан с научно-исследовательская деятельностью, с выбором темы для исследования. В докладе представлен подход к формированию исследовательских тем на основе закономерностей в развитии биологических систем, созданием новой классификации для указателя биологических эффектов. Приведены примеры формирования исследовательских тем в соответствии с концепцией максимального продвижения вверх. Статья развивает подход к формированию исследовательских тем для старших школьников и студентов, обсуждавшийся в публикации 2022 года «Методический подход к формированию Достойной Цели и поиску исследовательских тем для развития Творческой Личности». Ключевые слова: указатель биологических эффектов, законы развития систем, ТРТЛ, концепция максимального продвижения вверх.
ВВЕДЕНИЕ
Организации научно-исследовательская деятельности школьников и студентов уделяется большое внимание в современном образовательном процессе. Ключевой проблемой при формировании исследовательских тем для школьников является следующее противоречие: тема должна быть затрагивающей цивилизацию, общество в целом, чтобы мотивировать подростков и старших школьников, и одновременно должна быть узкотехнической, узко-научной, узко-художественной, чтобы быть доступной для реализации подростками и старшими школьниками. Разработанная в ТРТЛ, концепция максимального продвижения вверх может быть использована для решения этого противоречия. Применение инструментов ТРИЗ для формирования исследовательских тем и проведения проектов позволяет повысить новизну и оригинальность результатов.
В данной статье мы рассмотрим методический подход к формированию исследовательских тем для школьников и студентов в формате проекта «Биологические эффекты». Проект объединяет исследования разных направлений от сбора и анализа картотек биологических эффектов до проектов по изучению линий эволюции живых организмов.
В статье обсуждаются также два подхода к классификации биологических эффектов:
1. На основе признаков живых организмов и уровне организации живой материи. Этот подход позволяет выявлять закономерности эволюции живой материи.
2. На основе функций, которые можно реализовать при помощи биологических объектов. Это позволяет построить связи биологических эффектов с реализацией тех или иных действий над объектами функций.
1. МЕТОДИЧЕСКАЯ БАЗА ИССЛЕДОВАНИЯ
Использование методов ТРИЗ при формировании тем для исследовательских работ старших школьников и студентов позволяет формулировать темы разного уровня сложности, не теряя при этом новизны и оригинальности результатов. Концепция максимального продвижения вверх намечает переходы от узкотехнических, узконаучных тем переходить сначала к общетехническим, общенаучным темам, а затем к социально-техническим, социально-научным.
Возможно и обратное: обобщенные социально-технические, социально-научные темы могут быть представлены как набор тем, доступных для самостоятельного исследования старшими школьниками и студентами.
Создание Указателя биологических эффектов - проект, относящийся к категории общенаучных исследований. Проект предполагает сбор и анализ картотек биологических эффектов, реализованных на разных уровня организации живой материи от молекулярного до биоцено-тического. Такой широкий диапазон исследования позволяет сформулировать темы для исследований для школьников и студентов с разными интересами, как в области биологии, так и инженерии и изобретательства. Биологические объекты вызывают интерес у инженеров и изобретателей, т.к. обладают рядом преимуществ по сравнению с техническими системами: работа по замкнутым циклам, экономичность, саморегуляция и самоуправление, механизмы самовоспроизводства [1].
В данной статье мы будем использовать следующее определение БИОЛОГИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА - преобразование исходного параметра (ИП) биологического объекта (БО) в конечный параметр (КП).
Для выявления механизмов применения биологического эффекта для изменения объекта функции необходимо сформировать Указатель применения биологических эффектов. УКАЗАТЕЛИ ЭФФЕКТОВ (УЭ) - физических, геометрических, химических, биологических - являются частью информационного фонда ТРИЗ. УЭ - это классификаторы (таблицы) эффектов, построенные на основе связи эффектов с реализацией тех или иных действий над объектами функции. Можно строить указатели эффектов на параметрической основе: какой параметр изменяется в функции. Возможно два варианта создания таких связей: 1) Таблица с перечнем действий над объектом функции (нагреть, переместить, измельчить и пр.) с указанием эффектов, которые это действие может реализовать. 2) Обратная таблица, в которой перечисляются различные эффекты и какие действия с их помощью можно реализовать [2].
Пример 1. «Солнечный коллектор - шкура белого медведя»
Рис. 2. Устройство солнечного коллектора
Рис. 1. Устройство шкуры белого медведя.
Рис. 3. Элепольная формула эффекта
Устройство шерсти белого медведя в виде тонких полых трубочек - световодов позволяет направить максимальное количество солнечного света к черной коже, накапливающей тепло и быстро нагревающейся. Кроме того, подшерсток обеспечивает теплоизоляцию, не позволяя теплу удаляться от кожи [3].
На таком же принципе действия основан солнечный коллектор, который в отличии от солнечных батарей, производящих электричество, нагревает теплоноситель. [4]
Использование для технических систем принципа действия аналогичного биологическим объектам лежит в основе прикладной науки - БИОНИКИ [5].
Исследования в области бионики - один из источников картотеки биологических эффектов. При этом необходимо выявлять параметр биологического объекта, который изменяется и механизм, который обеспечивает изменение параметра.
2. КЛАССИФИКАЦИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ
Классификация биологических эффектов - это самостоятельная задача при формировании Указателя биологических эффектов. Физические, химические, геометрические эффекты классифицируются в соответствии с разделами соответствующих областей знаний. Традиционные разделы биологии не позволяют выявлять биологические эффекты, так как объектом функции часто является не живой организм в целом, какая-то его функциональная система или напротив объединение организмов.
2.1. Подход к классификации биологических эффектов на основе уровней организации живой материи и признаках живой материи.
Для построения классификации были выбраны следующие уровни организации живой материи и признаки живой материи.
Уровни организации живой материи
1. Молекулярный
2. Субклеточный
3. Клеточный
4. Тканевый
5. Органный
6. Организменный
7. Видовой
8. Популяционный
9. Биогенетический
Признаки живой материи
1. Целостность и упорядоченность
2. Метаболизм (обмен веществ и энергии)
3. Гомеостаз
4. Раздражимость
5. Цикличность
6. Размножение (самовоспроизведение)
7. Наследственность/изменчивость
8. Рост и развитие
9. Эволюция
Таблица 1. Классификация биологических эффектов на основе признаков живой материи и уровней организации живой материи (фрагмент)
1 уровень -уровни орга-
2 уровень - признаки живой материи 3 уровень - механизмы реализации признаков 4 уровень ключевые параметры (П) узловое противоречие биоэффекты
низации живой материи
Организм Целостность и упорядоченность структуры, реализующие функции П ключевых структур организмов Реализация ключевых структур/гены, Живой организм -функ.-целевая си-
факторы среды стема
Метаболизм (обмен веществ и энергии) питание, дыхание, выделение П процессов Поступление веществ, энергии/активность Тип питания, способ исп. энергии
Гомеостаз параметры метаболизма П метаболизма Поглощение/выделе- Пластический и энер-
ние гетический обмен
Раздражимость нервная и гуморальная активность П нервной и гуморальной активности Сигналы среды/рецепторы, эффекторы Тропизмы, настии, таксисы, кинезы, рефлексы
Цикличность циклы организма Параметры циклов Активность/цикличность Феномены гормонов, рефлексы
Размножение (самовоспроизведение) размножение животных размножение растений Половозрелость, срок беременности, половое поведение;способы контакта гамет Синхронизация поведения и половозрело-сти Половое и бесполое размножение
Наследственность/ фенотип и генотип Фенотипические при- Наследственные при- Мутации, наслед-
изменчивость знаки знаки/фенотип ственные болезни,
адаптация
Рост и развитие увеличение массы, дифференциация Масса протоплазмы Увеличение массы/метабол. активность Онтогенез, морфогенез
эволюция норма реакции организмов на основе генотипа Норма реакции Адаптация орг. на основе генотипа в преде- Соотношение онто- и филогенезов
лах нормы реакции
Классификация представлена в виде таблицы, в которой кроме уровня организации живой материи (1 уровень) и признаков живой материи (2 уровень), рассматриваются механизм реализации признаков живой материи на данном уровне организации (3 уровень), ключевой параметр, изменяющийся на данной уровне (4 уровень), а также узловое противоречие и биологические эффекты. Мы рассмотрим фрагмент таблицы, относящийся к организменному уровню организации живой материи.
Организменный уровень организации живой материи - уровень, который изучается различными разделами биологии: ботаника и зоология, морфология, физиология, этология и т. д. В таблице в столбце «биологические эффекты» представлены направления, в которых необходимо собрать картотеки биологических эффектов.
Таблица позволяет также изучать линии эволюционного развития как по усложнению организации живой материи, так и по признакам живой материи.
Рассмотрим «РАЗДРАЖИМОСТЬ» как универсальный признак живой материи.
Таблица 2. «Раздражимость». Линия эволюционного развития.
Уровень Ключевое противоречие Биологические эффекты
организации
проводимость ПД / затраты энер- потенциал действия
Молекулярный гии АТФ
электропроводность мембраны/ состав клеточных мембран
Субклеточный расход энергии
ответная реакция/затраты энер- специфические реакции клетки на воз-
гии, скорость буждение; синапсы, эффекты торможе-
Клеточный ния
Тканевый специализированная ткань/ воздействие на расстоянии; уровень и функции фитогормонов/ско-рость реакции структура и функции нервной ткани проведение фитогормонов
уровень раздражителя / реакция эффектора синтез фитогормонов безусловные и условные рефлексы; строение органов растения
Органный / условия окружающей среды
сигналы внешней среды / нали- тропизмы, настии, таксисы, кинезы, ре-
Организменный чие рецепторов и эффекторов флексы
обеспечение этологической изо- поведенческая изоляция видов
Видовой ляции видов
Популяционный взаимодействие особей внутри ареала/уровень агрессии блокировка (стимуляция) размножения
количество видов / количество конкуренция, хищничество, паразитизм,
Биоценотический ресурсов абиотической среды симбиоз
Раздражимость - способность живых клеток, тканей или целого организма реагировать на внешние или внутренние воздействия - раздражители; лежит в основе их приспособления к изменяющимся условиям среды. Раздражимость проявляется на всех уровнях развития жизни и сопровождается комплексом неспецифических изменений, выражающихся в сдвигах обмена веществ, электрического потенциала, состояния протоплазмы, а у высокоорганизованных животных связана и с выполнением специфических функций (проведение нервного импульса, сокращение мышцы, выделение секрета железистой тканью и т. д.). [6]
На каждом уровне организации живой материи этот универсальный признак реализуется с помощью изменения определенного ключевого параметра и разрешая узловые противоречия посредством биологических эффектов.
Пример 2. Скорость нервного импульса.
Еще в XIX веке было доказано, что нервный импульс, передающий сигнал возбуждения в нервной системе, имеет электрическую природу. В 1852 году Герман фон Гельмгольц измерил скорость прохождения нервного импульса [7].
Рис. 4. Опыт Гельмгольца по определению скорости нервного импульса
При дальнейших исследованиях выяснилось, что у разных видов животных скорость прохождения нервного импульса различается. Какие биологические эффекты определяют разницу скорости нервного импульса? Существует два способа увеличения скорости нервного импульса: увеличить размер аксона (гигантский кальмар) и изменить структуру аксона (мие-линовые оболочки, сальтаторное, скачкообразное распространение нервного импульса).
Можно описать данный биологический эффект как способ разрешения соответствующих противоречий:
- диаметр двигательных аксонов должен быть большим, чтобы осуществить быстрое распространение нервного импульса, и должен быть маленьким, чтобы соответствовать анатомическим особенностям животных;
- сопротивление аксоплазмы должно быть низким, чтобы скорость прохождения нервного импульса была высокой, и должна быть высокой, чтобы не увеличивать диаметр аксона.
Увеличение скорости передачи нервного импульса при сохранении малого диаметра нервного волокна дает позвоночным животным эволюционное преимущество и обуславливает дальнейшее развитие высшей нервной деятельности [8]. Можно описать эволюцию нервной ткани, как усовершенствование механизма, структуры передачи нервного импульса.
2.2. Подход к классификации биологических эффектов на основе функций биологических объектов и уровней организации живой материи.
Для построения классификации были выбраны следующие функции живой материи:
1. Биоэнергетические
1.1. накопление энергии
1.2. рассеивание энергии
2. Биовещественные
2.1. накопление вещества
2.2. разрушение орг. вещества
2.3. превращение вещества
2.4. рассеивание вещества
2.5. перемещение вещества
2.6. обнаружение вещества
3. Биогазовые
3.1. выделение газов
3.2. поглощение газов
4. Биополевые
4.1. обнаружение полей
4.2. генерация полей
4.3. поглощение полей
4.4. преобразование полей
5. Средообразующие эффекты
5.1. изменение параметров среды
5.2. изменение состава среды
6. Биоинформационные
6.1. накопление информации
6.2. преобразование информации
6.3. закрепление информации
6.4. передача информации
7. Саморегуляционные
Уровни организации живой материи выбраны такие же как в предыдущей классификации.
Пример 3. Феномен «на кончике языка».
В зависимости от ситуации получения опыта воспоминания могут храниться по-разному. Феномен «на кончике языка» - неспособность вспомнить какое-либо хорошо знакомое слово, при этом в памяти всплывает определенное количество информации о забытом слове [12]. Возникает ощущение, что забытое слово будет найдено прямо сейчас и что его очень легко вспомнить, но тем не менее оно не вспоминается. Это состояние может быть мучительным и даже навязчивым. Феномен является формой окклюзии и сопровождается интенсивным ощущением фрустрации из-за неспособности вспомнить хорошо знакомое слово. Феномен впервые описал Уильям Джеймс в фундаментальном труде «Принципы психологии» в 1890 году. Один из исследователей, Беннет Шварц, иллюстрирует это явление на примере рассказа Чехова «Лошадиная фамилия»: герой этого рассказа не может вспомнить фамилию, но тем не менее он уверен, что забытая фамилия имеет какое-то отношение к лошадям. Этот феномен является иллюстрацией того, что в сознании может временно существовать значение слова
без его знаковой формы. Причины феномена на данный момент неизвестны, но существует несколько гипотез, с помощью которых можно объяснить проблему забывания знакомых слов, например: «гипотеза блокирования», которая предполагает, что подобное забывание имеет место, если другое слово, пришедшее на ум раньше, блокирует извлечение из памяти нужного слова; «гипотеза неполной активации», которая объясняет забывание слова тем, что фонологическая репрезентация нужного слова получает меньшую активацию, чем другие, сходные по смыслу или по звучанию слова[13]. Существует несколько гипотез для объяснения увеличения частоты проявления феномена «на кончике языка» у пожилых людей: «Модель угасания» делает акцент на том, что у пожилых людей снижается эффективность извлечения информации из памяти; «Модель накопления» предполагает, что, поскольку у пожилых людей в памяти хранится значительно больше информации, это вызывает более частые затруднения в поиске нужного слова. Существуют различные способы борьбы с проблемой. Например, некоторые люди перебирают все буквы по алфавиту, чтобы найти первую букву забытого слова. Рекомендуется также расслабиться и переключить внимание на что-то другое - забытое слово вспомнится само собой, хотя человек перестал думать о нём [14].
Этот эффект может быть классифицирован как биоинформационный эффект накопления информации на организменном уровне. Объяснение возникновения этого эффекта затрагивает органный уровень - механизмы работы мозга, способы запоминания и способы извлечения информации. Способы преодоления этого когнитивного искажения предполагают использование механизмов переключения внимания или техник преобразования и извлечения информации.
Предложенные классификации биологических эффектов отражают два разных подхода к использованию описания биологических эффектов:
1. Изучение и описание биологических эффектов для выявления механизмов и закономерностей эволюции живой материи;
2. Изучение и описание биологических эффектов для использования в качестве информационного фонда для изобретательской деятельности.
3. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ ТЕМЫ ДЛЯ СТАРШИХ ШКОЛЬНИКОВ И СТУДЕНТОВ В РАМКАХ ПРОЕКТА «БИОЛОГИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ»
В рамках проекта «Биологические эффекты» предлагаются следующие группы исследовательских тем:
- картотека примеров использования природных аналогов для решения изобретательских задач;
- картотека изобретений в области медицины, основанных на природных аналогах;
- картотеки биологических эффектов, иллюстрирующих линии эволюционного развития;
- проекты по изучению механизмов эволюционного развития, закономерностей эволюции;
- картотеки биологических эффектов для использования в качестве информационного фонда для изобретательской деятельности.
Сбор и анализ картотеки - доступная форма исследовательской деятельности для старших школьников и студентов, формирующая важные навыки исследователя: системность мышления, наблюдательность, умение выявлять закономерности, навыки работы с большим объемом информации, умение выявлять и решать изобретательские задачи.
ВЫВОДЫ
1. Предложены новые подходы к классификации биологических эффектов: на основе уровней организации живой материи и признаках живой материи и на основе функций биологических объектов и уровней организации живой материи.
2. Формирование исследовательских тем на основе предложенных классификаций позволяет структурировать большой объем информации по биологии, повысить новизну и оригинальность исследований старший школьников и студентов.
3. Исследовательские темы в рамках проекта «Биологические эффекты» доступны для старших школьников и студентов и при этом могут быть использованы как информационный фонд для изобретательской деятельности и как форма изучения закономерностей эволюционного развития - обладают, таким образом, большим методическим потенциалом.
ЛИТЕРАТУРА
1. Тимохов В.И. Картотека биологических эффектов. Дата публикации 28.02.2010 https: //www .trizland.ru/trizba/1755
2. Глоссарий ТРИЗ-100. https://triz-summit.ru/certif/glossary/gloss-2023/
3. Кристиана Дорион. Придумано животными. Москва, «Лабиринт Пресс», 2022, стр. 42-43
4. Вакуумный солнечный коллектор: принцип работы. https://sovet-ingenera.com/eco-energy/sun/vakuumnyj -solnechnyj -kollektor.html
5. Большая Российская Энциклопедия. https://old.bigenc.ru/biology/text/1867538
6. Большая Российская Энциклопедия. https://old.bigenc.ru/biology/text/3490631
7. Гельмгольц Г. Скорость распространения нервного возбуждения. Москва-Петроград: Государственное издательство, 1923.- 89 с.
8. Агаджанян Н.А., Смирнов В.М. Нормальная физиология. Учебник. Издание 3-е, исправленное и дополненное. Медицинское информационное агентство, Москва, 2012 г., стр. 65-71
