МЕТОДЫ РЕШЕНИЙ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ЗАДАЧ

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ

Системный анализ - это метод решения экологических задач, путем анализа структуры и функций системы, связей между ее элементами и с другими системами. Системный анализ как метод решения творческих задач был разработан Р. Винером, У. Эшби, В. Богдановым и М. Берталанфи. Решение творческой задачи с помощью системного анализа выполняется по следующему алгоритму.

Алгоритм системного анализа.

1. Составьте схему системы по условию задачи, на которой укажите взаимосвязи между ее элементами и с другими системами.
2. Определите элемент, в котором возникла проблема (изменяемый элемент).
3. Предложите изменения в этом элементе для решения проблемы.
4. Измените связи данного элемента с другими элементами системы или эти элементы, используйте элементы других систем для решения проблемы.

Задача.

В природе часто корни растений переплетаются. Какую пользу это может принести растениям?

Решение задачи.

1. Составьте схему природной системы по условию задачи.

Природная система состоит из элементов: почва, корни, стебли

Схема природной системы по условию задачи

2. Внесите в схему дополнительные элементы: абиотические, биотические, антропогенные, фактор времени.

Дополненная схема природной системы

3. Определите изменяемый элемент ≈ то, что изменяется по условию задачи.

4. Определите внутренние возможности изменяемого элемента для поиска ответов.

Внутренние возможности корней:

• выделение соков, лекарственных веществ, воды, воздуха;
• взаимное поддерживание.

5. Укажите стрелками на схеме возможные связи изменяемого элемента с другими элементами природной системы, которые могли быть причиной изменений, и составьте ответы.

Ответы по связям изменяемого элемента:

• увеличение поглощения дождевой воды и воды из почвы;
• обмен веществ с другими растениями;
• наклон стебля к свету и теплу;
• защита от ветра;
• защита от насекомых;
• поглощение удобрений;
• защита от ядохимикатов и загрязнений;
• взаимолечение;
• передача и накопление воздуха.

Задача.

Какие изменения могут произойти в экосистеме озера, если на его берегу построили металлургический завод?

Решение задачи.

1. Нарисуйте схему экосистемы, на которой укажите элементы по условию задачи.

2. Дополните схему путем внесения в нее элементов неживой природы: температура, влажность, ветер, прозрачность, цвет, запах, вкус и др.; живой природы: растения, животные, грибы; элементов деятельности человека: газообразные, жидкие, твердые загрязнения, вытаптывание, шум, нагревание, затенение и др. Определите изменяемый элемент экосистемы.

Изменяемый элемент - озеро.

3. Укажите стрелками на схеме влияние элементов экосистемы на изменяемый элемент - озеро, и придумайте как можно больше ответов на задачу.

Ответы по связям изменяемого элемента:

1) уменьшится количество рыбы и растений в озере;

2) изменится запах, цвет и прозрачность воды;

3) повысится температура воздуха и воды;

4) увеличится частота кислотных дождей;

5) усилится вытаптывание прибрежного леса;

6) повысится загрязненность леса мусором.

АНАЛИЗ ЯВЛЕНИЙ И ПРОЦЕССОВ

Если в условии задачи говорится о проблеме, возникающей при взаимодействии систем, то ее решение лучше выполнять с помощью правил анализа явлений, событий и процессов.

Минимальная модель взаимодействия систем имеет следующий вид:

Условные обозначения:

Правила преобразования моделей взаимодействий

1. Если по условию задачи имеется один элемент и необходимо дополнить модель взаимодействия до полной, то вторым элементом будет окружающая среда.

Пример. Почему мигрируют некоторые животные в течение лета?

По условию задачи известен один элемент из взаимодействующей системы.

2. Если по условию задачи явления не указаны, то вместо знака вопроса внесите возможные явления взаимодействия между системами, используя материалы таблицы «Природные явления».

Природные тела, вещества и явления.

ПРИРОДНЫЕ ТЕЛА И ВЕЩЕСТВА

ПРИРОДНЫЕ ЯВЛЕНИЯ

НЕЖИВЫЕ ГОРНЫЕ ПОРОДЫ И МИНЕРАЛЫ: рудные, нерудные, горючие, магматические, метаморфические, осадочные. ПОЧВА: песок, глина, камни, перегной. ПОДЗЕМНЫЕ ВОДЫ: минеральные, пресные, соленые, кислые. ВОДОЕМЫ: реки, озера, пруды, моря, океаны, вода. ЛЕДНИКИ: ледяной покров, айсберги, лед. ВОЗДУШНЫЕ МАССЫ: циклоны и антициклоны, воздух. МАТЕРИКИ, ПОЛУОСТРОВА, ОСТРОВА, АТОЛЛЫ: горы, равнины, низменности. ВУЛКАНЫ: бомбы, лава, пепел, газы. ГЕЙЗЕРЫ: пар, вода, соли. КОСМИЧЕСКИЕ ТЕЛА: планеты, звезды, созвездия, галактики, астероиды, кометы, метеориты, пыль. ЖИВЫЕ БАКТЕРИИ: сапрофиты, паразиты, почвенные, клубеньковые, молочные, болезнетворные. ГРИБЫ: съедобные, ядовитые, шляпочные, одноклеточные. ЛИШАЙНИКИ: кустистые, листовые, накипные. РАСТЕНИЯ: деревья, кустарники, травянистые, водоросли, мхи, папоротники, хвойные, цветковые. ЖИВОТНЫЕ: одноклеточные, кишечнополостные, черви, моллюски, раки, пауки, насекомые, рыбы, амфибии, рептилии, птицы, звери. ЭКОСИСТЕМЫ: луга, леса, болота, водоемы, природные комплексы, природные зоны (тундра, тайга, смешанный лес, субтропический лес, тропический лес, пустыня, полупустыня) АГРОСИСТЕМЫ: огороды, сады, парки, лесополосы, оросительные поля, водохранилища, санитарные леса, поселки, города, агломерации. ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ЧЕЛОВЕКА В ПРИРОДЕ. ПОЛОЖИТЕЛЬНАЯ: изучение природы, принятие законов об охране природы, создание заказников, заповедников, национальных парков, регулирование охоты, рыболовства, минимальное использование растений, животных и полезных ископаемых, восстановление природных тел и веществ, защита от загрязнений и разрушений. ОТРИЦАТЕЛЬНАЯ: загрязнение, разрушение, вырубка лесов, осушение рек и болот, вытаптывание, застройка природных территорий, строительство линий электропередач, браконьерство, изменение природных территорий.

ТЕПЛОВЫЕ: нагревание, охлаждение, оттаивание, кипение, испарение, конденсация. ХИМИЧЕСКИЕ: изменение цвета, запаха, вкуса, кислотные дожди, повышение солености, выпадение осадка, образование кристаллов, использование: лекарств, антибиотиков, ядов, ферментов, гормонов, жира, антител, соков, смол, антифризов, питательных веществ, выделений, пены, воска, растворителей, применение удобрений и ядохимикатов, радиоактивное излучение. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ: образование, передача, накопление, разрядов и тока. МАГНИТНЫЕ: магнитное поле Земли, притяжение, отталкивание с помощью магнита, намагничивание, размагничивание. 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. ОПТИЧЕСКИЕ: освещение, затемнение, отражение света, свечение, ультрафиолетовое и инфракрасное излучения, рентгеновское излучение. БИОЛОГИЧЕСКИЕ: питание, дыхание, транспорт веществ, выделение, размножение, рост, образование новых органов, ориентация, фотосинтез, листопад, миграции.

Пример. Как ориентируются слепые рыбы в пещерных водоемах?

Ответы:

• по температуре воды;
• по запаху;
• по колебаниям воды;
• по электрическим разрядам;
• по звуковым колебаниям;
• по изменениям магнитного поля Земли.

3. Если необходимо разрушить отрицательное взаимодействие между системами или усилить положительное, то внесите в модель взаимодействий природные явления из таблицы, с помощью которых это можно сделать.

Пример. Какими способами растения могут защищаться от ядохимикатов?

Для решения задачи из таблицы выбираем явления, с помощью которых растения могут защищаться от ядохимикатов, и записываем их как ответы.

Пример. Известно, что при недостатке влаги в почве растения могут образовывать воздушные корни. Какими еще способами растения могут получать влагу?

Для оформления ответов выбираем явления из таблицы.

4. Если необходимо разрушить отрицательное взаимодействие между системами или усилить положительное, можно разложить одну (несколько) из взаимодействующих систем на элементы или объединить с другой системой.

Пример. Как животные могут защищаться от ядов, которые сами вырабатывают?

Для поиска ответов необходимо придумать (с помощью таблицы, учебников), какие процессы, ткани и органы защищают животное от собственного яда, с чем можно объединить или как разложить собственный яд, чтобы он не отравлял.

Пример. Какими способами мелкие животные могут охотиться на крупных животных?

Ответы нужно искать, объединяя мелкое животное с ┘ Придумайте, с кем и чем.

МЕТОДИКА РЕШЕНИЯ ПРОТИВОРЕЧИЙ

Противоречие ≈ это два противоположных требования, предъявленные к системе или ее элементу.

Решение многих экологических задач требует составления и решения противоречия. Для этого применяется специальный алгоритм.

Алгоритм решения творческих задач на противоречия.

1. Определяем элемент системы, к которому предъявлены противоположные требования и свойство элемента, которое необходимо изменить.

2. Записываем старое требование, которое это свойство выполняло.

3. Записываем новое требование, которое это свойство должно выполнять.

4. Записываем противоречие: элемент системы выполняет старое требование для того, чтобы - указывается функциональное назначение и должен выполнять новое требование для того, чтобы - указывается функциональное назначение.

5. Формулируем идеальный конечный результат: элемент системы выполняет оба требования при минимальном изменении самого элемента.

6. Решаем противоречие с помощью приемов и формулируем ответы.

1) разделение противоположных требований в пространстве системы;

2) разделение времени выполнения противоположных требований;

3) переход к антисистеме - системе противоположной данной по своей структуре или функциям;

4) объединение двух или нескольких систем для выполнения противоположных требований;

5) выделение из системы элемента, выполняющего противоположное требование и преобразование его в самостоятельную систему;

6) изменение агрегатного состояния системы или части внешней среды для выполнения противоположного требования.

Приемы решений противоречий не дают конкретных ответов, они лишь указывают направления для решателя, в которых необходимо искать эти ответы.

7. Выбираем наилучшие решения, путем сравнения полученных решений с идеальным конечным результатом.

Задача.

Каждую весну, перед вспашкой, фермеры убирают камни на полях. На следующий год камни появляются снова из глубин земли. Почему "всплывают" камни?

Решение задачи.

1. Определяем элемент системы, к которому предъявлены противоположные требования и свойство элемента, которое необходимо изменить.

Примечание.

Во многих задачах систему могут образовывать два взаимодействующих элемента, к каждому из которых можно составлять противоречия. Для данной задачи - это камень и почва. Противоречие можно составлять к одному из элементов. Свойство для камня - вес, свойство для почвы - подвижность.

2. Записываем старое требование, которое это свойство выполняло.

Для камня - быть тяжелым, для почвы быть неподвижной, чтобы удерживать камень.

3. Записываем новое требование, которое это свойство должно выполнять.

Для камня - быть легким, чтобы подниматься, для почвы - быть подвижной, чтобы выталкивать камень.

4. Записываем противоречия.

Камень должен быть тяжелым, чтобы удерживаться в почве и должен быть легким, чтобы подниматься к ее поверхности.

Почва должна быть неподвижной, чтобы удерживать камень и должна быть подвижной, чтобы выталкивать камень.

5. Формулируем идеальный конечный результат для каждого противоречия.

Тяжелый камень должен становиться легким, чтобы подниматься на поверхность почвы. Неподвижная почва должна становиться подвижной, поднимать камни на поверхность.

6. Решаем противоречия с помощью приемов и формулируем ответы.

Решим противоречие для почвы, а решение противоречия для камня предоставим читателю.

1) разделение противоположных требований в пространстве системы - в одном месте поля почва неподвижна, в другом подвижна. Какие процессы могут обеспечивать подвижность почвы? Для их поиска лучше всего использовать таблицу природных тел, явлений и процессов, с которой мы работали при решении задач путем анализа явлений и процессов. Один из примеров - подземные источники воды, которые могут вымывать камни;

2) разделение времени выполнения противоположных требований - подвижность почвы может происходить в результате суточных или сезонных изменений. Что может быть в основе таких изменений? Например изменения температуры. Зимой почва промерзает и ледяные нити почвенных капилляров, расширяясь выталкивают камни на поверхность;

3) переход к антисистеме - системе противоположной данной по своей структуре или функциям - не имеет смысла;

4) объединение двух или нескольких систем для выполнения противоположных требований - не имеет смысла;

5) выделение из системы элемента, выполняющего противоположное требование и преобразование его в самостоятельную систему - подвижность почвы может происходить в результате деятельности живых организмов, обитающих в почве, движений земной коры;

6) изменение агрегатного состояния системы или части внешней среды для выполнения противоположного требования - подтопление почвы во время весеннего таянья снега и обнажение камней.

7. Выбираем наилучшие решения, путем сравнения полученных решений с идеальным конечным результатом. Выберите, какие из полученных решений наилучшие.

Задача.

При добыче асбеста в карьерах поднимается асбестовая пыль, которая вредна для здоровья рабочих. Применение респираторов дает лишь частичное решение проблемы - респираторы быстро забиваются пылью, их приходится часто менять. В результате рабочие продолжают работать без респираторов.

Какие решения этой проблемы вы можете предложить?

Решение задачи.

1. Определяем элемент системы, к которому предъявлены противоположные требования и свойство элемента, которое необходимо изменить.

Система - карьер, асбест, рабочие, пыль, машины и механизмы для добычи асбеста. Элемент - асбестовая пыль. Свойство пыли, которое необходимо изменить - вес.

2. Записываем старое требование, которое это свойство выполняло - пыль легкая.

3. Записываем новое требование, которое это свойство должно выполнять - пыль должна быть тяжелой.

4. Записываем противоречие: пыль должна быть легкой, потому что она легкая по своей природе и должна быть тяжелой, чтобы не подниматься в воздух.

5. Формулируем идеальный конечный результат: легкая пыль становится тяжелой и не поднимается в воздух при минимальных изменениях.

6. Решаем противоречие с помощью приемов и формулируем ответы:

1) разделение противоположных требований в пространстве системы - пыль, которая поднимается в месте резки асбеста тяжелая, например за счет поливания водой;

2) разделение времени выполнения противоположных требований - аналогично предыдущему решению;

3) переход к антисистеме - системе противоположной данной по своей структуре или функциям - предварительная обработка породы веществами, препятствующими подъему пыли, например пеной;

4) объединение двух или нескольких систем для выполнения противоположных требований - не имеет смысла;

5) выделение из системы элемента, выполняющего противоположное требование и преобразование его в самостоятельную систему - не имеет смысла;

6) изменение агрегатного состояния системы или части внешней среды для выполнения противоположного требования - аналогично предыдущим решениям.

7. Выбираем наилучшие решения, путем сравнения полученных решений с идеальным конечным результатом. Все полученные решения могут быть использованы при добыче асбеста.

Задача.

Ученые установили, что молекула ДНК обладает тепловой неустойчивостью ≈ она разрушается уже при температуре 36° С. Почему же в клетках тканей теплокровных животных и человека ДНК не разрушается?

Решение задачи.

1. Составьте модель по условию задачи.

2. Определите изменяемые элементы. Выберите один из них для составления противоречия.

Изменяемые элементы: молекула ДНК и ядерный сок.

Выбираем ≈ молекулу ДНК.

3. Определите признак изменяемого элемента, который необходимо изменить для решения задачи.

Признаки изменений: размеры, форма, прозрачность, цвет, твердость, подвижность, вес, температура, ядовитость, фазовое состояние (твердый, жидкий, газообразный), расстояние, время и другие.

Признак молекулы ДНК ≈ прочность.

4. Определите требование 1 ≈ состояние признака до изменения.
Молекула ДНК непрочная.

5. Определите требование 2 ≈ состояние признака в результате изменений (противоположное к требованию 1).
Молекула ДНК прочная.

6. Запишите противоречие по форме: изменяемый элемент должен быть (состояние признака до изменения) для того, чтобы (условие) и должен быть (состояние признака после изменений) для того, чтобы (условие)

Противоречие: молекула ДНК должна быть непрочной, потому что она не может противостоять высокой температуре и должна быть прочной, чтобы не произошло гибели организма.

7. Запишите идеальный конечный результат (ИКР) по формуле: оба требования противоречия выполняются при минимальных изменениях изменяемого элемента.

Примечания.

• Идеальный конечный результат ≈ это модель наилучшего решения задачи.
• Решить противоречие ≈ это значит сделать так, чтобы в решении оба требования выполнялись.

8. Решение противоречия с помощью приемов.

Примечания.

При решении противоречия желательно нарисовать прямоугольник, который будет моделью изменяемого элемента и выполнять все действия при приемам на нем. Приемы решения противоречий не дают конкретных решений, они указывают, что и как нужно сделать. Конкретные решения ученик придумывает сам.

8. 1. Разделение противоположных требований в пространстве ≈ по разным участкам изменяемого элемента.

Часть молекулы ДНК прочная, часть непрочная (придумайте с помощью прямоугольника, какие это части).


8. 2. Разделение времени действий противоположных требований: в одно время действует одно требование, в другое ≈ противоположное.

В одно время молекула ДНК прочная, в другое ≈ непрочная (в какое время и за счет чего?).

8. 3. Объединение двух или нескольких изменяемых элементов для выполнения противоположных требований.
Несколько молекул ДНК объединены для ┘

8. 4. Дробление изменяемого элемента на несколько частей, каждая из которых выполняет одно из требований, а все вместе противоположное.
Молекула ДНК дробится на цепи, которые ┘

8. 5. Переход к антисистеме (изменяемому элементу наоборот по состоянию признака) или объединение изменяемого элемента с антисистемой.
Непрочная молекула ДНК становится прочной при условии ┘

Непрочная молекула ДНК объединяется с белками, которые не дают ей разрушаться (антисистема).

8. 6. Изменение фазового состояния изменяемого элемента или части окружающей среды по линии: твердый а твердо-жидкий а жидкий а пена а газообразный.
Молекула ДНК снаружи окружена ┘

9. Сравните полученные решения противоречия с ИКР и выберите те из них, которые больше всего сходны с идеальным ≈ они наиболее правильные.

ФОРМУЛИРОВАНИЕ ПРОБЛЕМ

1. Составьте модель по условию задачи.

Проблемы ≈ это затруднения в жизнедеятельности почвенных животных, поэтому вид взаимодействия ≈ отрицательный.

2. С помощью таблицы «Природные явления» определите природные явления, под действием которых возникают проблемы.

Ответы:

• колебания температуры почвы;
• химическое загрязнение почвы;
• механическое загрязнение почвы;
• изменения напряженности магнитного поля в почве и др.

При записи ответов на задачи и формулировке проблем необходимо их максимально конкретизировать.

РАЗВИТИЕ СИСТЕМ

Если по условию задачи требуется развитие экологической или технической системы, то ее решение осуществляется по следующему алгоритму.

Алгоритм решения задач на развитие систем.

1. Определяем систему, которую необходимо развивать.

2. Осуществляем развитие системы с помощью закономерностей.

1) изменение структуры расположения элементов в системе;
2) изменение строения одного или нескольких элементов системы;
3) введение одного или нескольких новых элементов в систему;
4) объединение двух или нескольких однородных или разнородных систем;
5) дробление системы на отдельные элементы, часть из которых или все становятся самостоятельными.

3. Выбираем наиболее приемлемые варианты решения задачи с учетом наших потребностей.

Задача.

В настоящее время главным направлением в области охраны окружающей среды является сохранение биосферы. Это весьма проблематично, так как технические конструкции и технологии в большинстве своем загрязняют и разрушают природу. Предложите дальнейшее развитие охраны природы.

Решение задачи.

1. Определяем систему, которую необходимо развивать - это охрана природы.
2. Осуществляем развитие системы с помощью закономерностей:

1) изменение структуры расположения элементов в системе - не имеет смысла;

2) изменение строения одного или нескольких элементов - увеличение объема и изменение структуры научных исследований в области природоохранных технических конструкций и технологий производства;

3) введение одного или нескольких новых элементов в систему - создание новых направлений исследований: разработка принципов функционирования автономного технического мира, независимого или мало зависимого от природы; организация исследований в области создания космических поселений людей на других планетах и орбитальных комплексах, подводных цивилизаций;

4) объединение двух или нескольких однородных или разнородных систем - объединение закономерностей охраны природы и принципов производства технических конструкций и технологий для создания принципиально нового технического мира;

5) дробление системы на отдельные элементы, часть из которых или все становятся самостоятельными - применение законов экологии для конструирования экологически безопасной техники.

3. В качестве направлений развития охраны природы пригодны все решения.

Задача.

Одна из главных проблем автомобиля - это проблема топлива, которое постепенно, но неуклонно дорожает. Может наступить такой день, когда для многих людей бензин станет недоступен по цене. Предложите возможные направления развития двигателя автомобиля с целью использования более дешевых источников энергии.

Решение задачи.

1. Определяем систему, которую необходимо развивать - двигатель автомобиля.

2. Осуществляем развитие системы с помощью закономерностей:

1) изменение структуры расположения элементов в системе - изменение конструкции двигателя для экономии бензина;

2) изменение строения одного или нескольких элементов - изменение строения отдельных блоков двигателя для использования более дешевых источников энергии, например смесей бензина и солярки, бензина и воды или спирта;

3) введение одного или нескольких новых элементов в систему - введение в двигатель агрегатов позволяющих использовать наряду с бензином водород, спирт, газ;

4) объединение двух или нескольких однородных или разнородных систем - объединение двигателей не имеет смысла;

5) дробление системы на отдельные элементы, часть из которых или все становятся самостоятельными - конструирование новых двигателей по аналогии с бензиновыми, использующих солнечную энергию, газ, спирт, водород.

3. Выбираем наиболее приемлемые варианты решения задачи.