Как известно лучшее обучение - обучение в условиях максимально приближенных к реальным. Поэтому на уроках физики я стремлюсь давать реальные задачи (т.е. примеры из истории развития техники), для решения которых требуется не только знание физики, но и умение работать с проблемой. Как правило это изобретательские задачи.
При работе с такого рода задачами процесс получения решения является не менее интересен и важен, чем само решение. Об одном из таких случаев и пойдет речь.
Был у нас в классе следующий случай (седьмой класс средней школы). На этот раз решалась классическая тризовская учебная задача. Иногда ее называют "задачей Пикара". Когда известный и неутомимый изобретатель-путешественник Огюст Пикар готовился установить рекорд подъема в стратосферу, то передним встала задача, которая в моей формулировке звучала так: "При подъеме стратостата на высоту около 10 тысяч метров гондола должна быть герметично закрыта (из-за разряженности воздуха). Но необходимо иметь возможность убирать канат (т.е. сокращать его длину) - где-то на 40м, - для того, чтобы открыть клапан. Как быть?".
Не так давно эта задача решалась мною, поэтому мне было любопытно как решат эту задачу ребята.
В первые 10 минут было предложено достаточно много вариантов типа "автомат, накручивающий верёвку" и "скафандр". Очевидно, что все эти решения достаточно сложны. И хотя это были решения, ни один из вариантов не был одобрен мной, потому что они были достаточны трудоемки (т.е. требовали сильного изменения системы). Чтобы объяснить почему это не лучшие решения было сказано несколько слов об ИКР (идеальный конечный результат) и ресурсах:
- Всегда надо стремиться к идеальному конечному результату, сокращенно его называют ИКР. Что это такое? Это достижение цели минимальными изменения в системе. Максимально возможный результат - это изменений нет, но проблема, задача решена. Идеальный конечный результат, как и идеал в жизни редко достижим. Но к нему нужно стремиться. И чем ближе мы к идеалу, тем лучше наше решение. А ресурсы это все то, что уже есть в нашем распоряжении для решения задачи. Чтобы ответ был как можно ближе к идеальному нужно стремить использовать ресурсы имеющиеся в системе. Простой перебор вариантов мало, что может дать, т.к. нет критерия поиска - может хорош этот, а может и тот вариант. Кто знает? Использование же понятий ИКР и ресурсы сразу накладывает ограничение на множество решений, а следовательно отметают "слабые" решения. В результате область поиска резко сужается, и мы можем сконцентрировать усилия на одной, достаточно узкой области. Теперь давайте определимся. Каким должен быть идеальный конечный результат в нашей задаче?
Но тут прозвенел звонок. Задача была дана на дом.
На следующем уроке только несколько учениц предложили обсудить решение.
Немного отвлекусь.
Во-первых. Очень показательно, что эту задачу взялись решать девочки. Это еще раз развенчивает миф о том, что мальчики от природы более тяготеют к техники и точным наукам. Лично у меня это первый опыт работы с 7-ми классами и нужно отметить, что из 10-ти лучших учеников параллели - 9-ть девочки, а из 20-ти лучших учеников девочек - 12.
Во-вторых. Остальные ученики, как мне кажется, даже не думали над решением. Это тоже очень показательно, т.к. подобного рода задачи никогда не задаются как обязательные. Если есть желание - решай, нет - не решай. Естественная и для взрослых логика - зачем делать, если, во-первых, не обязательно, а во-вторых нужно подумать немного (напрячь извилины), т.е. "напрягаться". Но это лирика.
Решения, предложенные девочками, были ближе к Идеальному Конечному Результату (ИКР). Уже не было очень сложных схем, все требуемые ресурсы были в самой системе.
- Нам нужно, чтобы веревка наматывалась. Тогда пусть наматывается на гондолу. Гондола вращается вокруг оси и наматывает веревку на себя, - предложила Наташа, одна из девочек.
- Это очень интересный вариант. У меня в свое время был такой же вариант. Но, согласись, что это некоторое усложнение - ведь изменяется система, - сказал я, - стоит подумать о минимальных изменениях.
Я рассказал о противоречиях в технических системах и о том, что задачу можно решить только разрешив противоречие.
- А какое тут противоречие? - Спросил я.
- ???
В начале всегда тяжело. Пришлось помочь наводящими вопросами:
- Если у нас герметичная гондола, а нам необходимо втянуть внутрь канат. Что делать? - подвел к противоречию ребят.
- Нужно сделать дырку!
- Но тогда воздух выйдет из гондолы!
- Правильно! Молодцы! А если по научному: что должно быть, чтобы все было хорошо и чего не должно быть, чтобы не было плохо?
- Чтобы дырка была и дырки не было.
- Отлично. Вот мы и вышли на противоречие лежащие в основе этой задачи. Чтобы втягивать канат дырка должна быть, а чтобы воздух не уходил из кабины, дырки быть не должно. Если мы решим его, то решим и эту задачу. Кстати, с решением этого противоречия каждый из вас сталкивается каждый день. Задача остается на дом, - подвел я итог.
Противоречие было относительно легко найдено учениками. Хотя и после некоторой помощи. После нахождения противоречия класс снова оживился и посыпались варианты: "сделать сальники", "плотное кольцо из резины" и другие. Но урок уже закончился: "Подумайте, нарисуйте схему, посмотрите как это будет работать. Завтра урок на нем и обсудим."
-
Убежден, что ученикам нужно давать не столько знания, сколько давать им навыки жизни, в том числе и умение отстаивать свои идеи, уважать собственный интеллектуальный труд. Поэтому на следующем занятии специально не поднимался вопрос о задаче - если есть человек, который решал и решил он должен сам "подать голос" - заявить, что он решил или решал, а потом отстоять свое решение.
К моему удивлению, одна девочка сказала, что задача была решена (точнее было разрешено противоречие). Я попросили выйти Наташу (ученица, предложившая вариант разрешение противоречия) к доске и рассказать о своем решении.
- Мы можем использовать воду, - сказала Наташа, - Через воду веревка пройдет, воздух нет. Я проверяла: опускала стакан в ванну там внутри воздух и он не выходил. А если туда что-нибудь просунуть, то...
Но тут послышались вопросы из класса.
- А откуда в гондоле вода? Она же вытечет?! А может замерзнет!
- Многие из нас наверняка сталкивались с непониманием зала, аудитории. У Наташи доклад своей идеи перед одноклассниками был, наверное, впервые. Ее идею не поняли. Точнее не захотели понять и даже, как мне показалось, подумать. Это тоже достаточно типично для аудитории.
- Ну, вода вокруг будет... Я думала вода вокруг...
Даже взрослые растерялись бы в подобной ситуации - полное непонимание зала. И это не смотря на то, что противоречие лежащее в основе задачи было преодолено и задача фактически была решена!
Как часто подобное происходит в жизни - для выхода на решение недостает одного шага, но этот шаг не делается из-за того, что принцип решение не понят окружающими
А наш урок тем временем продолжался: Наташа у доски нервничала. Поэтому оставляю ее для того, чтобы она могла собраться с мыслями, а сам, тем временем, обращаюсь к классу с вопросом:
- Что вы думаете о предложенном решении? Будет ли это работать?
Многие ребята даже не задают вопросы, а сразу начинают нападать:
- Нет! Откуда там вода!
Но то, что кричат несколько человек не есть мнение класса, - потому провожу социологический опрос:
- Давайте проведем голосование. Прошу поднять руку тех кто считает, что решение не правильное?... 6 человек. Хорошо. А кто считает, что работать будет?... 4 человека. Очень интересно, особенно если учесть, что «Да» сказали сидящие передо мной, а еще то, что в классе 18 человек! Куда девались остальные?
Сказав о том, что отсиживаться в кустах нельзя, что дезертирам и отказникам буду ставить двойки, повторяю вопрос. После этого голоса распределились где то 10 к 6 против данного решения. Для остальных видимо ситуация, как говорят программисты, была "сбойная" и вся система "мертво повисла".
- Наташа, ты собралась с мыслями? Ну, хорошо. Повтори, пожалуйста, еще раз свое решение.
- ....Вы знаете это не та задача. Я, наверное, не запомнила условие.
-
Еще одна типичная ситуация. Испугавшись первого непонимания и столкнувшись с первыми проблемами изобретатель отрекается от своего решения. Необходимо немного доработать полученную идею, как говорится - "дотянуть". Но у изобретателя из-за насмешек и непонимания опускаются руки. Может это действительно не то, что нужно? Метод проб и ошибок ни чем не может тут помочь, показать, что решение близко. В этом состоит принципиальное отличие метода "научного тыка" от ТРИЗ, дающей четкие ориентиры, предупреждающие о близости к решению.
- Ну, что же, - говорю Наташе, - присядь тогда, а мы послушаем людей, которые поняли твое решение. Кто хочет выступить?
Иногда человек со стороны лучше понимает идею. Да и когда идея высказана, то "новым" людям легче бывает применить, дотянуть ёе. Как ни странно желающих выступить не нашлось. После этого не удержался и сказал расхожую шуточную фразу:
- Ребята! В науке и в жизни преуспевает не тот, кто сказал "А", а тот кто сказал "Я". Ты, Наташа, правильно разрешила противоречие. Но это только промежуточное решение. Почему бы нам не "дотянуть" его до окончательного ответа. Для того чтобы превратить предложенное Наташей в окончательное (которым, кстати, и воспользовался Пикар) давайте мысленно прогуляемся... в ванную комнату. Каждое утро вы умываетесь в ванной. А заглядывали ли вы под раковину? Там находится "колено". Или говоря по научному, водяной затвор. Он нужен для того, чтобы запах из стока не попадал в квартиру. Но для нас важно не это. А то, что в данном случае было разрешено такое же как в нашей задаче противоречие - дырка должна быть, чтобы был сток и её не должно быть, чтобы в квартиру не попадал запах. Вот вам и техническая реализация идей Наташи. Нам остается внести только одно изменение - вместо воды мы зальем ртуть.
- Понятно! Как же я раньше не догадалась, - крикнула с места Наташа.
- Ртуть нужна, - продолжалось решение, - чтобы её вес уравновешивал силу давления воздуха внутри кабины. А сверху ртути, с той стороны, которая входит в гондолу добавим мыльной пены.
- Зачем? - раздалось несколько вопросов.
- А мыльный раствор, чтобы пары ртути не попадали в кабину - пары ртути очень опасна для здоровья. Более подробно зачем это нужно мы поговорим позже. Сейчас же для нас важно другое. А именно два момента.
Во-первых, это то, что разрешив противоречие лежащее в основе задачи мы действительно красиво решили задачу.
А во-вторых, что решить противоречие вовсе не означает найти техническое решение задачи. Для этого нужно ещё немного поработать.
- Да и в третьих! Для получения вот таких простых и удобных решений нужно знать физику. Ну ладно, отдохнули и хватит. Перейдем к теме нашего урока...
Вот такая интересная физическая задача... и ТРИЗ.
-
P.S. Автор благодарит Николая Николаевича Хоменко, за идею статьи и многочисленные критические замечания в процессе работы над ней.
вверх