- ступінь подібності або відмінностей організмів, груп організмів;
- родинні зв'язки між ними.
Виділяються суттєві для систематики ознаки, за якими конкретний об'єкт визначається в свою «осередок» - таксономічну групу (рис.1).
Необхідність історичного зміни зовнішнього і внутрішнього устрою живих організмів пов'язана з тим, що середовище, яке визначає умови і забезпечує ресурси життя, постійно змінюється. Як писав Льюїс Керролл, треба бігти, щоб залишатися на місці. Щоб вижити, треба змінюватися. Зміни можуть бути значними, принциповими. Такі зміни, узгоджені з іншими ознаками, роблять можливим освоєння нового середовища життя (наприклад, легеневе дихання у древніх водних організмів) або істотно підвищують ефективність використання ресурсів (наприклад, поява теплокровности). Біологи пристосування такого рівня називають ароморфозами. З позицій ОТСМ-ТРИЗ їх можна оцінити як рішення рушійних протиріч (Хоменко М.М.) Учні підводяться до необхідності «перевинаходу» біологічних пристосувань на рівні ароморфозов.
Приклад 1. Використання проблемної ситуації в навчальній темі: «Характеристика класу земноводних»
Переформулюємо тему: «Як риби освоювали сушу?»
Риби - водні істоти. Освоївши всі життєві ресурси свого середовища, вони висадили десант на сушу. З якими проблемами зіткнулися ці першопрохідці?
Ситуація всім зрозуміла, учні навперебій називають ці перешкоди:
-Шкіра і слизова очей будуть пересихати на повітрі. Як цього уникнути?
-Як дихати на суші, адже зябра теж відразу висохнуть?
-У воді їжа і так була мокра, а тепер її треба якось змочувати.
-Що трапиться з ікрою, відкладену на суші? Відповідь очевидна - висохне. І що з цим робити?
-Як пересуватися на суші? Плавці - слабкі помічники, та й вага тіла зростає при виході з води.
Проблеми, з якими стикаються водні тварини, освоюючи наземно-повітряне середовище життя
Ознаки класу земноводних виводяться як вирішення зазначених проблем. Поява у цієї групи тварин тонкої шкіри зі слизовими залозами, легких, суглобових кінцівок, слинних і слізних залоз, зміцнення скелета в порівнянні з рибам деякі інші особливості стають логічно обґрунтованими і легко запам'ятовуються. Амфібії не впоралися з однією істотною завданням - розмноженням поза водою. Природа зупинилася на компромісному варіанті: життя дорослих тварин протікає на суші, а розмноження і розвиток - в воді. Що, власне, і визначило назву класу - Земноводні.
Невирішена проблема розмноження поза водою становить інтригу, яка дозволяє перекинути місток до розгляду наступного класу, - Плазунів.
Приклад 2. Розмноження плазунів
Плазуни - це тварини, які змогли перейти до розмноження на суші. Їх еволюційні попередники риби і амфібії відкладають ікру в воду. У воді відбувається її запліднення і розвиток зародка. Як повинна була змінитися ікринки, щоб зародок успішно розвивався в наземних умовах?
Така постановка питання змушує повернутися до недавно вивченого матеріалу по темі «Риби» і уточнити, до цього здавалося зрозумілим, уявлення про будову ікри.
Головна функція ікринки - створення умов для збереження і розвитку зародка. Це передбачає забезпечення харчування, дихання, виділення непотрібних речовин, а також захист від висихання і небезпечних зовнішніх впливів.
Стає очевидною залежність будови від функції, умов і ресурсів. Далі змінюємо умови і ресурси при незмінній функції і розглядаємо можливі варіанти зміни будови. В результаті «народжується» яйце!
Приклад 3. Еволюція дихальної системи тварин
Постановка цього завдання вимагає попередніх пояснень.
Навіщо ми дихаємо? На цей простий (тільки на перший погляд!) Питання зазвичай відповідають так: дихаємо, щоб жити! Необхідно, щоб кисень надходив в кров, кров переносила кисень до всіх клітин тіла і забирала з них вуглекислий газ, який потім видихається. Навіщо? Відповідь криється на клітинно-молекулярному рівні. Клітка має необхідне «устаткування» для перетворення енергії хімічних зв'язків, укладеної в нашій їжі, в доступну організму форму. Ось в цьому-то процесі свою роботу потужного окислювача виконує кисень. Для безперебійної вироблення енергії потрібне постійне надходження в клітину кисню (хоча існують і безкисневі «технології») і відведення непотрібного відходу - вуглекислого газу. Таким чином, дихання - не просто «вдих-видих». Система органів, яку прийнято називати «дихальної», по суті - система для забезпечення газообміну. Таким чином, розгляд еволюції дихальної системи зводиться до питання: як і чому змінювалися структури, що забезпечують газообмін у тварин?
Газообмін з навколишнім середовищем відбувається через поверхню. Для цього поверхня повинна бути тонкою, вологою і досить великий:
-тонкої - так як кисень і вуглекислий газперемещаются через покриви дифузно (дифузія ефективна на відстані не більше 1 см);
-вологою - так як кисень і вуглекислий газ переміщаються тільки в розчиненому вигляді;
-великий - чим більше поверхня, тим швидше здійснитися дифузія.
Розмір поверхні організму оцінюється щодо його обсягу. Спостерігається на перший погляд парадоксальний ефект: у міру збільшення розмірів організму, відносна площа поверхні зменшується!
S1
Мал. 3. Відносна площа поверхні зменшується в міру збільшення розмірів
У дрібних організмів відношення площі поверхні до об'єму достатньо для ефективного газообміну. Так, у найпростіших, кишковопорожнинних, плоских, круглих і багатьох кільчастих хробаків газообмін відбувається через покриви тіла. Спеціалізованих органоїдів або органів немає.
У більших організмів відносна площа поверхні зменшується. Але для ефективного газообміну співвідношення площі поверхні до об'єму повинно зберігатися.
Завдання 1: як повинна змінитися поверхню, щоб при загальному збільшенні розміру об'єкта, її відносна площу не зменшувалася
Протиріччя. площа поверхні щодо обсягу в міру збільшення розміру об'єкта повинна зменшуватися відповідно до геометричних закономірностями і не повинна зменшуватися для ефективного газообміну.
Рішення. складчатая поверхню.
Мал. 4. Складчаста поверхню
Завдання 2: якою має бути поверхню, щоб служити організму захистом і при цьому здійснювати газообмін?
Протиріччя. поверхня повинна бути нещільної, проникною для газообміну, поверхня повинна бути щільною, непроникною для виконання захисної функції.
Рішення. поділ в частинах. Частина тіла покрита міцною непроникною оболонкою, а частина має складчасту, тонку, проникну поверхню.
Завдання 3. як повинна змінитися поверхню, що забезпечує газообмін у наземно-повітряних мешканців?
Протиріччя. поверхні повинні бути виступаючими, складчастими, тонкими для кращого газообміну, і не повинні бути такими, щоб не висихати на повітрі.
Рішення. впячиваются поверхні.
Проблемна ситуація або проблемне завдання
На наш погляд невиправдано надмірне захоплення завданнями на етапі розгляду нового змісту. В якихось обставин буває досить подивитися на матеріал під іншим кутом зору, тобто позначити проблемну ситуацію, і вже це пробуджує інтерес. Важливо, щоб зміст не губився за новими або не зовсім зрозумілими спеціальними термінами. Ситуація повинна бути описана образним розмовною мовою, щоб сутність проблеми стала доступною кожному. Відчуття доступності підштовхує до участі в обговоренні та обігу до власного досвіду, вражень, отриманій раніше інформації. Створюється атмосфера, яка сприяє осмисленню нового знання.
У першому з наведених прикладах проблемна ситуація висвічує відразу не-скільки завдань, відповіді на які очевидні. Тому ми поринаємо в ситуацію, знімаємо з ходу варіанти рішень і зіставляємо їх з «природними винаходами».
У другому прикладі розглядається одне «винахід» - яйце. Тут потрібна певна підготовка до виявлення задач і їх формулюванні. Вибудовується ланцюг міркувань:
- для захисту зародка від висихання в повітряному середовищі з'являється непроникна для випаровування води шкаралупа;
- чим вище непроникність шкаралупи для випаровування, тим краще, але які при цьому виникають негативні наслідки?
- через непроникну шкаралупу стає неможливим:
- газообмін для дихання,
- надходження поживних речовин,
- виведення продуктів метаболізму.
На цьому етапі грунт для розуміння особливостей пристрою яйця рептилій і птахів підготовлена.
Виявлені протиріччя можна покласти в основу винахідницьких задач:
1. Як здійснювати газообмін. якщо яйце покрите непроникною шкаралупою?
2. Як здійснювати надходження поживних речовин. якщо яйце покрите непроникною шкаралупою?
3. Як здійснювати виведення продуктів метаболізму. якщо яйце покрите непроникною шкаралупою?
Питання висять в повітрі, на них сконцентровано увагу. Наступний крок залежить від конкретної ситуації і вибирається учителем:
- пояснення дає вчитель;
- учням пропонується знайти відповідь в підручнику;
- учням пропонується самим винайти пристосування, а потім порівняти їх з «винаходами» природи.
неможливість виведення назовні через шкаралупу компенсується наявністю міхура для збору рідких продуктів обміну - алантоїса.
Третій приклад показує, яку серйозну підготовчу роботу вчителю слід провести, щоб «витягнути» групу завдань, вирішення яких є школяреві. У даній темі «Еволюція дихальної системи» необхідно переконатися втому, що учні знають, що таке дифузія, бачать відмінності між абсолютною і відносною площею поверхні. Залежно від рівня і профільної направленностіподготовкі школярів для активізації цих знань використовуються різні підходи.
Для того, щоб виявити ефект зменшення відносної площі поверхностіпо міру збільшення розміру об'єкта в фізико-математичному класі можна предложітьрасчетную завдання: побудувати графік залежності відносної площі поверхностішара від його радіуса. А в гуманітарному класі можна розглянути ситуативну задачу: якщо потрібно швидко почистити каструлю картоплі, ти вибереш велику або мелкуюкартошку? Руки і без абстрактних розрахунків «пам'ятають», що швидше.
Подання навчального матеріалу у вигляді проблемних ситуацій або проблемнихзадач вимагає від учителя чималих зусиль, але створює середовище, в якій учні включаються в процес побудови знання.