Методика решения экологических задач

Крисевич Татьяна Олеговна, старший преподаватель кафедры общей биологии и ботаники
Методика решения экологических задач

1.1. Предмет, содержание и задачи дисциплины «Методика решения экологических задач». Классификация учебных экологических задач и методов их решения.

Цель данного курса - необходимость показать сложность и многообразие экологических проблем, стоящих перед специалистами-экологами. Представить студентам-педагогам необходимый дидактический материал для развития экологического мышления у специалистов разных профессий. Продемонстрировать наиболее общие способы решения конкретных экологических и эколого-социальных ситуаций.

Задача данного курса - развить навыки логического мышления наряду с освоением теоретического материала по методике решения экологических задач, научить таким приемам умственной деятельности, как анализ, синтез, установление причинно-следственных связей. Показать, как устанавливать взаимосвязи между самыми разнообразными явлениями живой и неживой природы, моделировать изучаемые процессы.

Терминологические задачи.
Подчеркните понятия, отражающие процессы функционирования экосистем:
Саванна, дубрава, трофические цепи, паразитизм, автотрофы, сапрофаги, жук-навозник, тайга, испарение, дождь, эрозия почвы, питание, водоём, эфтрофикация, излучение, степь.

Организмы, использующие только готовые органические вещества в пищевых цепях биогеоценозов, - это:
1) автогетеротрофы
2) продуценты
3) консументы
4) фототрофы

Биоценоз – это совокупность:
1) видов растений и животных населяющих участок суши;
2) организмов одного вида, населяющих общие места обитания;
3) популяций всех видов живых организмов, живущих в общем биотопе;
4) популяций всех видов живых организмов и факторов абиотической среды.

Биолого-экологические учебные задания.
С точки зрения методики при решении таких задач используются в основном два методических способа.
Первый – это приём «присутствие – отсутствие» вида в биотопе, а второй – выявление системообразующего фактора.

Методический приём «Присутствие – отсутствие».
Его применение основано на том, что если вид обитает в биотопе, следовательно, его существование обусловлено экологическими условиями, несмотря на присутствие лимитирующих факторов. Но в тоже время именно лимитирующие факторы обеспечивают его существование.

Методический приём «Выявление системообразующего фактора» или метод «поиска определяющего фактора».
При использовании этого метода подразумевается несколько этапов анализа:
Анализ истории формирования экосистемы.
Анализ особенностей её функционирования.
Изучение, при каких условиях подобные экосистемы трансформируются.
Сравнение полученных данных и обобщение результатов.

Укажите правильно составленную последовательность стадий первичной сукцессии:
а) кустарники; б) лишайники; в) застывшая вулканическая лава; г) травянистые растения; д) мхи.
1) в → а → б → г → д
2) в → д → г → а → б
3) в → б → д → г → а
4) в → б → г → д → а

Ситуационные экологические задания. При решении задач такого типа широко используется метод «поиска определяющего фактора».
Эти задания достаточно сложны для решения, так как необходимо пройти несколько этапов:
анализ стадий развития экологического явления;
наблюдение за изменениями, происходящими в экосистемах в результате различных воздействий на них;
логический анализ этих изменений.

Верхний предел температурных условий существования видов обусловлен тем, что при действии экстремально высоких температур происходит:
а) обезвоживание клеток; б) денатурация молекул белка; в) необратимое изменение коллоидных свойств цитоплазмы; г) резкое усиление интенсивности метаболических процессов; д) денатурация молекул липидов и потеря ими своих свойств; е) снижение активности ферментов.
1) а, г, д
2) б, в, г
3) а, б, д
4) б, в, е

Тесты на анализ абстрактных эколого-социальных систем.
В лесостепной зоне необходимо сохранить овражно-балочные лесолуговые экосистемы. Ваши предложения:
прекратить любую деятельность человека на их территории;
прекратить выпас скота, разрешить только сенокошение, сбор ягод, орехов и традиционную охоту зимой с использованием гончих собак;
сохранить все виды традиционного природопользования, но строго их лимитировать и запретить все виды земляных работ.

Проанализируйте график и дайте оценку экологическому состоянию водоема:
1) уменьшение численности личинок ручейников свидетельствует о том, что с каждым годом водоем становится более чистым;
2) в водоеме не происходит никаких изменений;
3) в 2001 г. численность ручейников была наибольшей, экологическое состояние водоема было наиболее благополучным;
4) в 2001 – 2002 гг. произошло увеличение численности ручейников, водоем был наиболее загрязнен.

Решение практических задач начинается с общего анализа ситуации. Для этого надо пройти следующие этапы:
выяснить общую экологическую ситуацию;
определить системообразующий фактор;
проанализировать экологическую культуру населения;
выдвинуть гипотезу о методах управления (преобразования среды);
рассмотреть, как будут трансформироваться экосистемы в течение 10-20 лет;
смоделировать экологические изменения на 50 лет вперёд.

2.Системный анализ как метод решения экологических задач.
Применение ТРИЗ в решении экологических задач.

Системный анализ - методология исследования сложных,
часто не вполне определенных проблем теории и практики.
"Важность целого превыше важности его составляющих«. Аристотель
"Целое объясняется свойствами его составляющих".
Галилей

Системные методы и процедуры:
абстрагирование и конкретизация;
анализ и синтез, индукция и дедукция;
формализация и конкретизация;
композиция и декомпозиция;
линеаризация и выделение нелинейных составляющих;
структурирование и реструктурирование;
макетирование;
реинжиниринг;
алгоритмизация;
моделирование и эксперимент;
программное управление и регулирование;
распознавание и идентификация;
кластеризация и классификация;
экспертное оценивание и тестирование;
верификация

Общие принципы системного анализа.
дедуктивной последовательности - последовательного рассмотрения системы по этапам: от окружения и связей с целым до связей частей целого (см. этапы системного анализа подробнее ниже);
принцип интегрированного рассмотрения - каждая система должна быть неразъемна как целое даже при рассмотрении лишь отдельных подсистем системы;
принцип согласования ресурсов и целей рассмотрения, актуализации системы;
принцип бесконфликтности - отсутствия конфликтов между частями целого, приводящих к конфликту целей целого и части.

Алгоритм системного анализа.
Составьте схему системы по условию задачи, на которой укажите взаимосвязи между ее элементами и с другими системами.
Определите элемент, в котором возникла проблема (изменяемый элемент).
Предложите изменения в этом элементе для решения проблемы.
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?

Дополненная схема природной системы
Определите изменяемый элемент — то, что изменяется по условию задачи.
Определите внутренние возможности изменяемого элемента для поиска ответов.
Внутренние возможности корней:
выделение соков, лекарственных веществ, воды, воздуха;
взаимное поддерживание.
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.

Теория Решения Изобретательских Задач была разработана в 1950-х годах советским инженером и писателем Генрихом Сауловичем Альтшуллером.

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

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

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

Записываем старое требование, которое это свойство выполняло.
Для камня - быть тяжелым, для почвы быть неподвижной, чтобы удерживать камень.
Записываем новое требование, которое это свойство должно выполнять.
Для камня - быть легким, чтобы подниматься, для почвы - быть подвижной, чтобы выталкивать камень.

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.

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.

Решаем противоречия с помощью приемов и формулируем ответы.
Решим противоречие для почвы.
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;

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.

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;

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