|
|
|
Примерные кейсы открытых проектных заданий (инженерных задач) и критерии их оценивания
Всероссийский образовательный центр «Сириус» привлекает к участию в своих образовательных программах как школьников, обладающих высокими познаниями по предметам школьной программы; школьников, показавших высокие достижения в спорте и в художественном творчестве, — так и школьников с высокими способностями к техническому творчеству, инженерной, изобретательской деятельности.
Для выявления таких школьников по месту обучения, продуктивно организовывать решение инженерно-творческих заданий открытого типа, требующих от ученика разработать и представить решение для специально описанной проблемной ситуации, связанной или с научно-техническими изысканиями, или с решением конкретной задачи в области хозяйства и инфраструктуры.
Чтобы выявить и отобрать одарённых школьников, обладающих высокими способностями к инженерно-технической деятельности, в Ханты- Мансийском автономном округе (Югре), был составлен примерный сборник открытых инженерных задач. Основные виды инженерных образовательных задач открытого типа
Инженерно-теоретические парадоксальные задачи
Задачи этого типа предполагают порождение детьми базовой идеи будущего изобретения, или даже просто выявление ими объективной возможности будущего изобретения, незаметной с точки зрения житейского опыта и расхожих взглядов на технику.
Именно задачи этого типа в наибольшей степени опираются на противоречие, заложенное в их формулировке и содержании. Это связано с принципиальной необходимостью вывести школьников за пределы привычного ограниченного круга представлений, показать им, что, во- первых, мир устроен сложнее, чем они думают; во-вторых, знания о мире не исчерпываются содержанием ни одного, даже самого хорошего учебника; в- третьих, возможность или невозможность какого-либо устройства является относительной характеристикой, поскольку, комбинация знаний о законах природы или углубление этих знаний позволяют сделать возможным то, что на предыдущем шаге считалось принципиально невозможным.
Открытые задачи этого вида в основном строятся по следующей схеме:
«Придумать (описать) объект с заданными свойствами А, Б, В, и т.д., в котором заведомо реализуются функции либо существуют явления типа анти-А, анти-Б, анти-В, и т.д.». Подобная конструкция задания сама по себе интригует или «берёт на слабо», побуждает к поиску, внушает представление о том, что наши знания о мире и его свойствах могут быть не полны и что при определённых условиях невозможное может оказаться возможным.
Изначально в задачах такого типа в качестве объекта, который предлагается придумать и описать, использовался «мир» как целостная природно-человеческая, «естественная» система и пространство для
жизнедеятельности. Однако в рамках отбора инженерно-одарённых детей объектом стоит делать какое-либо не существующее, но очень нужное техническое устройство или технологическую систему.
Пример:
Придумать механическое транспортное средство, работающее «на подножном корму», то есть способное использовать разные ресурсы внешней среды в качестве источника энергии.
В чём противоречие:
Способность питаться подножным кормом — традиционная характеристика живого «тягла» (например, лошадей, мулов, верблюдов).
Механическое транспортное средство либо использует запас энергии, который необходимо возить с собой и регулярно пополнять, либо существенно зависит от обстоятельств среды (как парусник или автомобиль на солнечных батареях).
Возможные ходы на решение:
Использование биореактора или иного устройства, перерабатывающего любую органику в топливо.
Использование устройств, позволяющих без внешнего вмешательства находить и захватывать ресурсы (включая элементы искусственного интеллекта).
Способности, которые могут быть проявлены:
Системное мышление, в том числе способность соотносить принципиальные схемы органических и механических систем.
Понимание процессов, связанных с получением энергии на основе превращений вещества (как в желудке животного, так и в моторе автомобиля).
Понимание главной полезной функции устройства внутри объемлющей системы (источника движущей силы в общей схеме транспортного средства).
Инженерно-практические проблемные задачи
Задачи данного типа предполагают разработку школьниками конкретного устройства, необходимого в той производственной или инфраструктурной ситуации, которая описывается в условиях. В идеальном варианте, школьники должны создать действующую модель этого устройства
материальную либо цифровую, позволяющую понять, как устройство будет работать при различных условиях и задачах. Но поскольку это требует дополнительного тренерско-педагогического сопровождения и достаточно сложного оборудования, достаточным будет являться подробное описание работы устройства, математические расчёты его работы, основные чертежи, дающие базовое представление о конструктивной схеме.
Поскольку, здесь предметом деятельности школьников являются не порождение идеи и не предпроектные изыскания, а разработка конкретного устройства, заведомо выполняющего строго определённый набор полезных
функций, на заданном уровне качества, то противоречие, вокруг которого строятся задания, не должно носить, в отличие от предыдущего случая, абсолютный характер. Достаточно будет обозначить школьникам:
либо острую потребность в той или иной разработке, при её отсутствии в полноценном виде;
либо необходимость снять некое техническое ограничение, кажущееся неизбежным следствием какого-либо закона природы;
либо критическую необходимость снизить издержки при реализации какой-либо технологии.
Такие задачи обычно строятся по следующим моделям:
разработать устройство, которое решало бы задачу Х лучше (быстрее, дешевле, качественнее), чем это делают существующие устройства и технологические комплексы;
разработать устройство, позволяющее решать задачу Y, которая ранее считалась нерешаемой;
оптимизировать устройство Z по параметрам, приведённым в условиях задачи;
оптимизировать устройство A для работы в условиях, в которых это устройство ранее не могло работать.
Пример:
Придумать принцип работы вычислительной системы, основанной не на электричестве, а, например, на воздухе или воде.
В чём противоречие:
Существующие решения, лежащие «в недрах» вычислительных систем, основаны на том, что логические элементы используют электрический ток для выполнения операций, совокупность которых определяет возможности устройства.
В действительности же структура логического элемента не зависит от того, какая физическая сила заставляет его работать, например, переключаться или выдавать выходной сигнал на основе входных.
Возможные ходы на решение:
При анализе работы любого логического элемента можно заметить, что для его работы необходим ток, движение некоторой субстанции, неважно, электрическое, механическое или какое-либо другое (если это можно вообразить). Следовательно, ту же роль, которую играет электрический ток в современной технике, может выполнять ток воды или газа, например. Примечание: на первых советских автоматически управляемых ракетах использовались именно «воздушные процессоры»: ламповая электроника того времени не выдерживала вибраций и перегрузок, а поток воздуха в полёте ракеты заведомо гарантирован.
Любая сколь угодно сложная вычислительная система представляет собой совокупность определённым образом соединённых между собой логических элементов, выходные сигналы одних из которых являются входными для других.
Способности, которые могут быть проявлены:
Способность интересоваться глубинными основами и базовой структурой процесса. Школьник, для которого процессор или даже цифровое устройство в целом — «магическая коробочка», скорее всего, пройдёт мимо этой задачи.
Способность к системной композиции, сборке системы со сложными функциями на основе простых элементов.
Способность рассмотрения технических систем в их генезисе, как результат серии последовательных инженерных решений.
Инженерно-социальные разработнические задачи
Задачи данного типа по своему построению и логике похожи на инженерно-практические проблемные. Детям предлагается разработать решение «под ключ», потенциально готовое к внедрению, при этом, позволяющее снять проблемную ситуацию и добиться необходимого результата в таких условиях, в которых раньше этот результат считался недостижимым. Но, в отличие от предыдущего, требуется разработать не устройство или технологию, а управленческий проект по внедрению устройства и технологии, или, в некоторых случаях, по организации работы инженерного коллектива над такой разработкой, которая обычно производится единолично. Соответственно, результатом должно стать описание необходимой последовательности действий, в результате которых изобретение будет внедрено и начнёт приносить пользу, или инженерный коллектив сможет быстро и качественно решить поставленную задачу, даже в недостаточно благоприятных условиях. Описание последовательности действий необходимо дополнить обоснованием, доказывающим, почему именно предлагаемые действия в предложенной последовательности приведут к успеху.
Инженерно-социальные разработнические задачи похожи на кейсы, широко используемые в бизнес-тренингах и школах управления:
описывается проблемная управленческая ситуация, с чётким обозначением того, в чём состоит рассогласование между существующим положением дел и нужным положением дел;
обозначается цель: как должна измениться ситуация, к какому состоянию прийти;
описываются все условия, значимые для изменения ситуации: как благоприятные, так и неблагоприятные;
далее нужно придумать последовательность управленческих действий, которые действительно можно проделать в описанных условиях, и которые не потребуют привлечения дополнительных — не предусмотренных условиями — ресурсов.
В нашем случае, проблемный характер ситуации связан, прежде всего, с разрывом между объективной необходимостью внедрения некоего устройства или технологии — и возможностями этого внедрения. Недостаток возможностей может быть связан как с нехваткой финансовых средств и
низкой квалификацией персонала, так и с общественным мнением, возможными социальными рисками, которые создаст новая технология.
В целом, задания этого вида строятся по следующей схеме: «Имеется устройство/технологическая система А, которая, будучи внедрена в ситуации В, приведёт к положительным изменениям В+. Однако, внедрение устройства/технологической системы А с большой вероятностью повлечёт за собой побочные негативные последствия А-. Кроме того, характеристики ситуации В включают в себя негативные факторы В-, которые либо делают внедрение нововведений А рискованным, либо сводят на нет позитивные результаты этого внедрения. Опишите систему действий, которая минимизирует негативные последствия А- и негативные параметры ситуации В-, позволит внедрить разработки и получить от этого запланированные положительные результаты».
Пример:
Разработать программу одомашнивания и массового хозяйственного внедрения таких диких животных, как: лось, бурый медведь, антилопа гну, жираф, пингвин, гиппопотам, глухарь, какое-либо китообразное, морской котик, гиена.
Предлагается выбрать какое-либо одно животное, но не возбраняется сделать разработки и по большему количеству; при этом, стоит сразу указать школьникам, что на оценку их работ будет в любом влиять качество каждой из них в отдельности, а за энтузиазм будет дано лишь незначительное поощрение. Педагоги могут, по своему усмотрению, добавить в этот список дополнительные виды дикой фауны; рекомендуется, однако, отбирать те виды, которые, во-первых, ещё точно не разводятся на фермах в массовом порядке, как, например, африканские страусы или благородные олени; во- вторых, про которых хотя бы у самих педагогов есть гипотеза о возможной обеспечиваемой ими хозяйственной пользе; в-третьих, не являются предками существующих домашних животных, как волк, кабан, безоаровый козёл, лошадь Пржевальского, гуанако, и др.
Противоречие
По большому счёту, школьникам его ещё нужно найти, рассуждая по следующей логике: «Все перечисленные животные заведомо воспринимаются нами, как дикие, преимущественно, как объект охоты, а то и вовсе как бесполезное для человека существо. Следовательно, либо у них были качества, полезные для человека, которые было бы важно обеспечивать не только за счёт охоты, но что-то помешало их одомашниванию; либо эти качества не очевидны и нуждаются в проявлении и усилении». Школьники сами выделяют сущностное противоречие, которое и создаёт противоречие формально-управленческое, общее для всех задач этого вида: «Некие ресурсы, скрытые и явные, имеются, но по каким-то причинам совсем не используются».
Возможная логика рассуждения
Определить главные ресурсные качества выбранного животного, которые заведомо превосходят аналогичные качества у уже имеющихся домашних животных, или не имеют аналогов. В том числе, определить скрытые или недостаточно развитые качества, которые могут быть проявлены или усилены за счёт селекции или определённого способа хозяйственного использования. Важно исходить из полного спектра способов использования животных в хозяйстве (пищевые продукты, материалы для жизнеобеспечения, тягловая сила, уникальная помощь), а также пробовать найти какие-либо дополнительные, ранее не существовавшие способы использования.
Определить причины, по которым данное животное не стало домашним (в том числе, проанализировать попытки его одомашнивания, если таковые были, как, например, в случае лосей, глухарей, зебр и, не поверите, гиен!). Оценить весомость этих причин, их структурное происхождение; исходя из этого — наметить, как минимизировать их значимость.
Определить план работ по одомашниванию.
Определить план работ по хозяйственному внедрению, соотносящийся по структуре и базовым процессам с планом по одомашниванию.
Определить, необходима ли работа с общественным мнением для успешного внедрения нового вида домашних животных, и если необходима
выявить основные элементы общественного мнения, противостоящие такому внедрению, выделить способы эффективного воздействия на них, сконструировать последовательность применения данных способов.
Качества школьников, выявляемые в ходе решения такой задачи
способность выделить в той системе, с которой работают школьники, основные ресурсные моменты, а также методы их максимального усиления и пути использования;
способность выделить основные объективные свойства системы, способствующие или препятствующие использованию её ресурсов (в нашем случае — особенности поведения того или иного вида диких животных, а также объективное отношение людей к этим животным); способность к разработке решений, которые бы максимально усиливали благоприятствующие свойства и минимизировали неблагоприятные, не приводя при этом к разрушению системы;
способность моделировать сложные цепочки социально- экономических связей, учитывающие возможность не только вывода на рынок новых продуктов, но и формирование спроса на них за счёт работы с общественным мнением;
способность анализировать сложные социально-экономические и природные системы, выстраивать эффективные естественно-искусственные решения для конкретных задач, управлять разными типами инженерно- хозяйственных целостностей, в том числе, сочетающих в себе механические и живые системы.
Кейсы открытых проектных заданий (инженерных задач) на очном этапе Конкурса будут предложены по следующим направлениям:
освоение Арктики и мирового океана;
персонализированная и прогностическая медицина;
современная энергетика;
умный город и безопасность;
большие данные, машинное обучение и финансовые технологии;
космические технологии;
агропромышленные и биотехнологий;
беспилотный транспорт и логистические системы.
освоение Арктики и мирового океана – 3 кейса; Кейс 1.1.
В Мировом океане образуются огромные острова из мусора, большей частью пластиковые отходы.
Это несёт создаёт серьёзную угрозу как для судоходства, так и для экологии. Разработать устройства по сбору и первичной утилизации подобного мусора. Требования: автономность энергетическая, транспортная, производственная. Кейс 1.2.
Необходимо создать аппарат для проведения археологических подводных раскопок.
Требования: глубина погружения – до 200 метров, возможность отсасывания илистых отложений, перемещение донных элементов размером до 1 м., обеспечение приспособлениями подъёма находок без всплытия аппарата, управление через видеоканал.
Кейс 1.3.
Единственный материал, которого в Арктике в избытке (пока) – это ЛЁД. Известно, что некоторые северные народы строили своё жильё из этого материала. Придумайте устройство, которое возводит постройки для полярников из Льда.
Требования: размеры постройки 5 на 6 метров и высотой 2 метра, работает на атомной энергии, самоходная.
Персонализированная и прогностическая медицина – 3 кейса; Кейс 2.1.
По статистическим данным Минздрава России, каждый год от инсульта страдает около полумиллиона человек. Из них полностью восстанавливаются только 13-15%, остальная часть пациентов либо умирает, либо становятся инвалидами.
Большое значение для таких больных после лечения имеют реабилитационные мероприятия.
Необходимо разработать проект индивидуального устройства с комплектом компьютерных программ для реабилитации больных с поражением двигательной способности рук.
Требования: упражнения охватывают кисти рук, локоть и плечевой сустав.
Кейс 2.2.
С каждым годом людей, страдающих Сахарным диабетом становится всё больше. Количество человек, страдающих от диабета в России, составляет почти 11 миллионов. При этой болезни очень важна ранняя диагностика, которая заключается в измерении содержания сахара в крови. Необходимо создать аппарат, который может массово делать подобное исследование без прокалывания пальца.
Требования: Продолжительность получения результата – не более 1 мин., пропускная способность – 1000 человек в день, обслуживается один раз в месяц.
Кейс 2.3.
Создать алгоритм измерения угла обзора человека на основе технологий виртуальной реальности и спроектировать вспомогательное оборудование.
Требования: Подключение через стандартные порты компьютера, конфигурация компьютера: процессор - AMD Athlon X4 860K, видеокарта - AMD Radeon RX 480.
Большие данные, машинное обучение и финансовые технологии – 3 кейса; Кейс 3.1.
Развитие Блок-чейн технологий кардинальным образом может поменять подходы в управлении организациями и даже отраслями. ДАО – одно из направлений, которое сейчас начинают обсуждать.
Сконструируйте вариант устройства системы Дополнительного образования, функционирующей на данной технологии.
Требование: нет. Кейс 3.2.
Придумайте алгоритм и напишите программу по переводу с языка глухонемых на русский (и обратно)/ Перевод русский -> ГН с текста и со звука, а ГН -> русский с видео.
Требования: в режиме реального времени. Кейс 3.3.
Смысловой анализ интернет данных по трём критериям: «позитив»,
«негатив», «нейтральный». Для исследования настроений в обществе. Задаётся объект, мерприятие и относительно его ведётся подсчёт позитивных, негативных и нейтральных высказываний на основе анализа текстов.
Требования: Смена объекта, задание графика обследования, представление в графическом и табличном виде, сохранение результатов.
Космические технологии – 3 кейса. Кейс 4.1.
Космические исследования, проводимые непосредственно на орбите, требуют доставки значительных грузов – как сложного специализированного оборудования, так и материальных запасов для долговременного пребывания учёных и инженеров. Ещё большие грузы потребуется доставлять в космос, когда начнётся полноценное освоение новых небесных тел. Современные
космические корабли, как и во времена Гагарина, Титова, Армстронга, обеспечивают доставку сравнительно небольших объёмов грузов, при том, что стоимость 1 кг., доставленного на орбиту, на сегодняшний день составляет, самое меньшее $11 000. Такая стоимость, по понятным причинам, тормозит полноценное освоение космоса (дешевле изыскивать скрытые ресурсы Земли).
Необходимо: придумать экономичный способ доставку на орбиту значительных грузов, позволяющих в ближней перспективе приступить к полноценному освоению ближайших к Земле небесных тел (а не разовые экспедиции туда и, тем более, не работу роботов-«луноходов»).
Требование: способ должен опираться на известные законы физики, в том числе, космофизики; к его описанию должно прилагаться хотя бы примерное обоснование того, почему он окажется более экономичным, чем существующий способ доставки грузов на орбиту ракетами имеющихся моделей.
Подсказка: решение стоит искать не только на путях усовершенствования ракет, но и в поиске принципиально новых форм и способов передвижения в космосе – но опять же, в полном соответствии с законами физики.
Кейс 4.2.
В космосе – в условиях отсутствия атмосферы, при абсолютно иных, чем земные, показателях давления на человеческое тело, в принципиально иной химической среде – человек вынужден действовать в скафандрах той или иной конструкции. За 50 с лишним лет освоения космоса человеком были разработаны скафандры, в минимальной степени стесняющие человеческое тело – и, однако, они все равно заведомо затрудняют движение, а самое главное, лишают человека «естественнности» в движениях, что заведомо, при любых тренировках, снижают эффективность его действий.
Необходимо: придумать технологический принцип, который позволит человеку полноценно действовать в условиях космоса (в том числе, решать задачи, требующие значительных физических и интеллектуальных усилий) без внешней оболочки типа скафандра, которая будет стеснять его движения. (Приветствуются гипотезы относительно технико-технологических характеристик конкретных устройств, реализующих предложенный технологический принцип).
Требование: разработка должна опираться как на известные законы и принципы физики и космофизики, так и на представления о физиологии человека, в том числе, на сведения об особенностях функционирования человеческого организма в условиях космоса.
Кейс 4.3.
«Солнечные бури», говоря корректнее – магнитные эффекты, происходящие на Солнце в силу его строения и структуры, оказывают значительное влияние как на самочувствие человека, так и на работу технических (прежде всего, цифровых) устройств на самой Земле. Это влияние вполне установлено
современной наукой, но эффективные способы противодействия ему не только не существуют, но фактически и не разрабатываются. Обоснование здесь простое: для противодействия магнитным эффектам Солнца нужно будет заодно противодействовать всем иным воздействиям Солнца на Землю, которые, в общем-то, обеспечивают воспроизводство жизни на ней.
Необходимо: придумать базовое технологическое решение, которое бы минимизировало бы негативное воздействие «бурь на Солнце» на физиологию людей и на работу технических устройств. (Приветствуется предложение гипотез о конструкции конкретных устройств, которые бы воплощали в себе такое технологическое решение.)
Подсказка: решение может быть связано как с оборудованием, рассчитанным на функционирование непосредственно в космосе, так и с оборудованием,
«привязанным» к конкретным людям и технико-технологическим системам,
«закрывающим» их от нежелательных магнитных эффектах, производимых Солнцем.
Современная энергетика – 3 кейса; Кейс 5.1.
В наших поселениях существует проблема, связанная с централизованным снабжением электроэнергией. Сети имеют значительный износ. В некоторых мелких поселениях отсутствует подводка сетей из-за труднодоступности. Необходимо спроектировать автономную систему энергоснабжения на альтернативных принципах для частного дома.
Требования: Экологичность, мощность около 20 Квт, Средняя полоса Кейс 5.2.
«Альтернативная энергетика» до сих пор считается нерентабельной в силу того, что опирается на «непредсказуемые», хоть и заведомо возобновляемые и неисчерпаемые источники энергии. В самом деле – ветер может начаться и прекратиться; солнечное излучение может интенсифицироваться или, наоборот, ослабеть. Но ввиду перспективы исчерпания энергетически значимых полезных ископаемых и одновременно негативных экологических последствий их разработки – как и ввиду не менее негативных последствий использования гидроэнергетики в её нынешнем виде – «альтернативная энергетика», образно говоря, не имеет альтернативы.
Необходимо: либо предложить базовые технологические решения, которые делали бы токи воздуха и солнечное излучение одинаково сильными и достаточными для генерирования электроэнергии, независимо от природных условий; либо изыскать другие естественные источники, позволяющие генерировать электроэнергию без ущерба для экологических систем.
Кейс 5.3.
Гидроэнергетика не утратила своего технологического и экономического потенциала за сто с лишним лет со времени своего появления и со времени включения в план ГОЭЛРО в качестве ключевого элемента «электрификации всей страны». Но за прошлый век выявились её отрицательные стороны – потеря больших массивов экономически значимых земель за счёт создания
водохранилищ, нарушение нормального функционирования природных процессов, слом устоявшихся экологических цепочек, и т.д. . Одним из примеров «оборотной стороны» гидроэнергетики может служить известный факт изменения микроклимата в г. Красноярске, где после построения знаменитой Красноярской ГЭС река Енисей перестала замерзать зимой, что породило испарения, в которых, в свою очередь, скапливаются вредные вещества, выбрасываемые предприятиями и автотранспортом.
Необходимо: придумать базовое технологическое решение для гидроэнергетики, которое бы одновременно позволяло максимизировать энергию больших масс текущей воды и использовать их для воздействия на механические системы, которые, в свою очередь, преобразуют механическую энергию в электрическую (как это происходит в действующих ГЭС) – и не требовало бы создания грандиозных плотин, превращающих огромные участки рек в водохранилища.
Подсказка: рассмотрите возможность использовать для генерирования электроэнергии не всё течение реки в целостности, а отдельные струи, которые могут быть «осёдланы» отдельными «мини-ГЭС», с последующим аккумулированием энергии, генерируемой каждой из таких мини-ГЭС.
Умный город и безопасность – 3 кейса. Кейс 6.1.
Необходимо разработать программно-аппаратный комплекс «Умный светофор» для регулировки движения на перекрёстке.
Требования: должен учитывать заполненность перекрёстка транспортными средствами (ТС), скорость передвижения ТС, наличие пешеходов на проезжей части(запоздавших), геометрию перекрёстка, отслеживание спецтранспорта.
Кейс 6.2.
В разных городах мира по разному добиваются соблюдения правил перехода пешеходами улиц. Предложите свой новый вариант, как это сделать. Как добиться соблюдения этих правил?
Требования: пригодность для всех категорий граждан, безопасность. Отсутствие в интернете.
Кейс 6.3.
Трудности с транспортом в больших городах не новость. Сейчас ведутся разработки летательных аппаратов, которые увеличат размерность пространства передвижения. Но будет ли он более безопасен? Как управлять потоками таких транспортных средств и такой плотности? Создайте алгоритм диспетчеризации в городе такого транспорта и принципы размещения специализированных площадок.
Требования: автоматический режим, площадь города вытянута 10 км на 50 км. вдоль реки.
Агропромышленные и биотехнологии
Кейс 7.1. В сказках часто встречается такой сюжет: главному герою дают задание за ночь выкорчевать лес, вспахать поле, засеять его, снять урожай, смолоть муку и испечь хлеб.
Выполнить такое герой всегда мог только с волшебной помощью. Но в наше время очень важно научиться творить такие чудеса, поскольку, продовольствия требуется всё больше, а заведомо плодоносящих полей — всё меньше, огромные площади находятся на территории тайги, тундры или безводной степи. И требуется всё более короткий цикл сельскохозяйственных работ. В субтропиках и тропиках можно снимать несколько урожаев за год — но там катастрофической проблемой становится нехватка воды для орошения. В условиях резко континентального климата рискованным является даже сбор одного урожая в год.
Разработайте модель сельскохозяйственного производства, прежде всего, его инфраструктурного и технического обеспечения (хотя бы на уровне основных требований, параметров, технико-технологических решений), которая позволяла бы в условиях бросовых земель (болота, безводной или каменистой степи, территории бывшей свалки, бывшего карьера) — вырастить и снять урожай быстрее, чем позволяет естественный период вегетации выбранных культур.
Противоречие
Оно очевидно: есть естественные природные свойства тех или иных растительных культур, предполагающие, в том числе, использование для их выращивания определённых типов почвы, определённых климатических условий, определённого природно-погодного цикла, а также обуславливающие скорость вызревания этих культур. В данном случае, предлагается преодолеть сразу два этих объективных свойства — требования к внешним условиям вызревания, в сторону снижения требований к условиям, и требования к скорости вызревания, в сторону её увеличения.
Возможные направления рассуждений школьников
Сначала продуктивно изучить биологические особенности культурных растений (а для этого первоначально определиться с несколькими — не более 2-3 — растений, которые будут рассматриваться) и на основе этого определить:
Какие именно факторы определяют требования растений к свойствам почвы и климата?
Какие именно факторы определяют вегетативный цикл данных растений?
При каких условиях, требования растений к внешним условиям могут
«снизиться», а вегетативный цикл — сократиться?
Какими могут быть побочные воздействия новых внешних условий на состояние данных растений, прежде всего — на качество получаемых от них продуктов?
После этого, школьники могут начать поиск решений, создающих необходимые условия для «оптимизации» жизни данных растений, идя различными путями:
селекция и выведение культурных растений с новыми заданными свойствами;
искусственное создание таких природно-климатических условий, при которых, растение сможет не только нормально расти, но и ускорить вызревание.
Каждый из путей рассуждения и каждое из предложенных в его результате решений должны проверяться по следующим параметрам:
скорость получения продуктивных результатов при внедрении данной разработки;
экономическая эффективность (в том числе, энергетическая эффективность);
отсутствие принципиальных деформаций исходных свойств растения, вследствие предлагаемых методов.
Возможные прототипы:
Огородники в зонах рискованного земледелия давно приспособились выращивать рассаду в домах, часто начиная с зимы, а затем, с наступлением тёплого времени года, высаживать в открытый грунт. Но это требует значительных затрат времени. И если хозяин небольшого огорода, особенно пенсионер, эти затраты может себе позволить, в условиях массового сельскохозяйственного производства это нереально. Возможны ли аналогичные, но массовые технологии?
Технологии рекультивации почв, позволяющие восстановить исходную экосистему, давно отработаны для бывших территорий горных разработок, в России, в первую очередь, для исчерпанных угольных разрезов. Возможно ли применение сходных технологий для того, чтобы сделать территорию пригодной для сельского хозяйства?
Способности и компетенции школьников, диагностируемые за счёт решения данной задачи:
способность проанализировать условия достижения поставленной задачи в наличной ситуации;
способность спроектировать целенаправленное воздействие инженерного характера на биологические системы, не деформирующее эти системы и при этом обуславливающее получение необходимого результата;
способность адекватно подобрать средства и методы для решения поставленной задачи;
способность спрогнозировать и оценить эффективность и результативность предлагаемого решения.
Кейс 7.2. В маленьком хозяйстве фермер достаточно легко может определить, что нужно каждой из его коров, чтобы давать большое количество молока; что требуется каждой из овец, чтобы вырастить на себе максимально густую и длинную шерсть; что требуется каждой из свиней, чтобы быть оптимальной «фабрикой мяса».
В крупных хозяйствах уже практически невозможно отслеживать каждое животное и добиваться именно от него максимально продуктивных результатов. Усреднённые показатели, в том числе основанные на использовании биометрических данных и их компьютерной обработке, заведомо не учитывают особенностей конкретного организма и его режима жизни.
Кроме того, содержание животных в крупных хозяйствах, с искусственной средой обитания и с искусственной кормовой базой, включающей в себя синтетические составляющие, не встречающиеся в кормах в естественных условиях, такие, как витаминные добавки и антибиотики, приводит к падению качества продукта, при росте количественных показателей. Иногда это оборачивается крупными эпизоотиями (самый известный случай — «коровье бешенство» в северо- западных регионах Европы), отчасти — массовыми аллергическими реакциями потребителей на химические примеси в животной пище.
Требуется: разработать цифровую систему, позволяющую в условиях крупного фермерского хозяйства следить за каждым животным в отдельности, определять для него оптимальный индивидуальный рацион, режим жизни, параметры ухода.
Противоречие:
Имеет двойной характер.
С одной стороны, это противоречие между тем, что высокое качество животноводческих продуктов обеспечивается только в условиях, максимально приближенных к естественным, и тем, что современная ситуация требует максимально увеличить производство этих продуктов, притом, так, чтобы обеспечить их минимальную стоимость. В естественных
«сельских» условиях животноводство заведомо не может обеспечить массовую потребность современных городов в продуктах животноводства. Более того, в наиболее развитых и густо населённых территориях, где наиболее велик спрос на животноводческую продукцию, оно просто не располагает необходимыми пространствами и буквально вынуждено запирать коров в стойлах, свиней — в тесных загонах, кур — в клетках. Но даже если разворачивать на уцелевших нетронутых сельскохозяйственных угодьях огромные фермы, потребуется длительная сложно организуемая транспортировка полученных продуктов, которая заведомо снизит их качество, поскольку, потребует глубокой заморозки и консервации.
С другой стороны, друг другу противоречат массовый характер производства и индивидуальный характер жизни каждого животного, при котором именно это животное может быть максимально эффективно с точки зрения количества и качества создаваемых им продуктов. Последние полвека во всём мире закрепили положение дел: если пищевая продукция массовая и дешёвая, то не очень качественная, поскольку, её появление не предполагало затрат усилий на выращивание и обиход каждого конкретного животного; а если продукция качественная, то заведомо дорогая, поскольку, в каждую её единицу, вложено заведомо много ресурсов, и прежде всего — человеческого труда. Чтобы успешно разрешить это противоречие, необходимо новое поколение систем технологического обеспечения животноводства, и прежде всего — систем диагностики и управления, рассчитанной не на массовый, а на индивидуализированный результат.
Возможные направления рассуждения.
Стоит выбрать один из массовых видов сельскохозяйственных животных, чтобы сразу опираться и на конкретный тип полезного продукта (мясо определённого вида, молоко, яйца, шерсть, и т.д.), и на определённый тип организации пространства (заведомо различный для курятника и для коровника).
Полезно проанализировать, какие именно показатели снимают датчики, использующиеся в современном крупном фермерском хозяйстве, как анализируются их показатели, по каким алгоритмам формируется режим
кормления и ухода за животным (включая диагностики, требующие вмешательства ветеринара либо отбраковки животного).
На следующем шаге продуктивно определить, какие параметры могут считаться индивидуальными; каков минимальный набор индивидуальных параметров, которые могут быть собраны датчиками и обработаны соответствующей программой; как информация, предоставляемая датчикам по этим параметрам, позволяет оптимизировать уход за животным.
Уже затем можно переходить к определению «индивидуального образа жизни животного», поиску недостающих датчиков и разработке цифровых решений.
Экспертные системы, основанные на знании об индивидуальности, широко используются в медицине (включая индивидуальный подбор сочетаний лекарств, с учётом возможных противопоказаний, формирование индивидуального режима жизни и профиля питания). Особенность экспертных систем как особого типа программного обеспечения состоит в том, что в их основе лежат не алгоритмы, а эвристики (схемы правдоподобных рассуждений), сформированные на основе моделирования хода рассуждений экспертов, признанных в определённой практической области.
Можно предположить, что поставленная задача решается экспертной системой, основанной на эвристиках, моделирующих рассуждения опытных ветеринаров и скотников.
Компетенции, выявляемые у школьников:
Интерес к конкретным особенностям определённых представителей животного мира, исторически вовлечённых в сферу хозяйственной деятельности человека.
Способность к формированию системной модели, включающей в себя фрагменты биологического, зоопсихологического знания и логистики.
Способность к постановке задачи по разработке прикладного программно-аппаратного комплекса на основе системного описания задачи в целом.
Способность к работе со слабо представленным алгоритмически (эвристическим) знанием, в том числе с алгоритмическим моделированием эвристик.
Кейс 7.3. Одной из острых экономических проблем сельского хозяйства является слабая техническая оснащённость наиболее мелких хозяйств, которые, при этом, зачастую являются наиболее активным и демократичным, с точки зрения цен, поставщиком продуктов питания на рынок. Причины этого явления понятны: у конкретного фермера и, тем более, владельца подсобного хозяйства зачастую нет средств на покупку и обслуживание сложной техники; кроме того, масштабы их хозяйства не требуют её постоянного использования, обуславливают простои и тем самым ещё больше снижают рентабельность. Одновременно, кооперирование малых хозяйств по поводу приобретения техники в складчину, в большинстве случаев рано или поздно приводит к конфликтам по поводу порядка использования и хранения этой техники, приоритетных прав распоряжаться ею, и т.д. .
Требуется: разработать инженерно-социальное решение, которое позволит малым хозяйствам, вплоть до подсобных дачных, но готовых работать на рынок по доступной для потребителя цене, в полноценном объёме пользоваться сложной современной сельскохозяйственной техникой.
Противоречие
Оно очевидно из условий задачи: любому современному аграрному хозяйству, чтобы быть конкурентоспособным, необходимо в том или ином объёме использовать специализированное техническое оборудование. При этом, покупка этого оборудования малым хозяйством единолично лишает его конкурентоспособности, поскольку, затраты на приобретение оказываются очень велики, и чтобы их возместить, приходится удорожать стоимость продукции, так, что она перестаёт быть привлекательной для покупателя. А приобретение оборудования вскладчину в большинстве случаев порождает конфликты, которые усложняют работу и также снижают эффективность хозяйства.
Возможные направления рассуждений школьников
Как и в большинстве предыдущих случаев, школьникам стоит чётко определить, какую именно проблему они решают. По большому счёту, противоречие заключается в том, что способ максимизации эффективности малого аграрного хозяйства оказывается одновременно фактором, ослабляющим эту эффективность, за счёт увеличения затрат или втягивания хозяйства в напряжённую микросоциальную ситуацию. После того, как это противоречие будет выявлено и обозначено, можно будет предлагать варианты для его разрешения, по следующим основным направлениям (как и
в предыдущих случаях, их список не исчерпывающ, и конкретные идеи школьников могут оказаться гораздо продуктивнее наших изначальных предположений):
разработать и популяризировать эффективную и при этом дешёвую сельскохозяйственную технику (важно сделать акцент именно на популяризации, поскольку, многие мелкие хозяева привыкли, что хорошая техника — дорогая, а дешёвая — пустая трата денег, и этот стереотип будет нужно преодолеть);
разработать наиболее прозрачную в плане отношений и минимизирующую возможность конфликтов модель кооперации по приобретению техники (в том числе, возможно, с компьютерными средствами вычисления, кто из хозяев сколько времени пользовался оборудованием за сезон и, соответственно, кто в какой пропорции должен вложиться в амортизацию);
разработать модель льготной аренды сельскохозяйственной техники для мелких хозяйств.
Способности и компетенции школьников, диагностируемые за счёт решения данной задачи:
способность определять конкретное, максимально локализованное противоречие, обуславливающее проблемный характер ситуации, и подбирать средства для разрешения именно этого локализованного противоречия;
способность определять необходимые затраты на решение инженерно-социальной задачи и находить способ их минимизации без потери качества работы системы;
способность определять инженерный, управленческий, психологический аспекты решения инженерно-социальной задачи и организовывать работу с этими аспектами в режиме параллельных, но при этом взаимосвязанных процессов.
Беспилотный транспорт о логистические системы
Кейс 8.1. Транспортные проблемы современных городов очень трудно до конца решить даже самой эффективной оптимизацией наземной транспортной сети. Как ни расширяй дороги, сколько ни строй подземных или надземных путей, рост количества транспортных средств заведомо опережает любые инфраструктурные меры.
Современный город уже заведомо стал трёхмерным: его жизнь разворачивается не только на земле, но и над землёй и под землёй. В этом качестве, он давно освоен архитекторами, осуществляющими вертикальное
зонирование, создающими на крышах зоны для отдыха, разрабатывающими проекты вертикального озеленения. С другой стороны, существует немало частных разработок в сфере малого воздушного транспорта.
И при всём при этом, немногочисленные вертикальные средства перемещения, как правило, сосредоточены внутри зданий (это, разумеется, прежде всего, лифты). А внутригородское авиасообщение остаётся, в целом, в фантастических романах и фильмах. Единственным массовым исключением являются лёгкие вертолёты, допускающие взлёт и посадку практически где угодно, — в ряде стран их активно используют полиция и служба безопасности дорожного движения. А вот, например, малые беспилотные почтовые аппараты (в отличие от аналогичных военных аппаратов и аппаратов, используемых в системах мониторинга) не выходят за пределы экспериментальных разработок, и их распространённость, возможно, уступает даже почтовым голубям в Европе Нового Времени.
Частных причин для такой задержки в распространении транспортных сетей на новые измерения, конечно, масса: начиная с отсутствия посадочных площадок для «малой авиации», заканчивая огромным количеством надземных проводов и кабелей, затрудняющих её использование. Но по большей части эти причины сводятся к одной, фундаментальной: транспортная инфраструктура сегодня, как и сто, и двести лет назад, проектируется на плоскостях, а не в объёме. Проблема заключается не только в посадочных площадках и системах сервиса, но и в общей системе логистики и навигации для трёхмерного пространства. А её отсутствие можно связать, скорее, с тем, что для человека по-прежнему непривычно думать о пространстве своей жизни и о своих перемещениях по этому пространству в «трёх измерениях», а не в плоскости. Житейский опыт продолжает нам говорить — в том числе, на подсознании: для человека нормально передвигаться по земле; по воздуху летают птицы, под землёй копают кроты — но в обоих случаях не люди. Немногочисленные, довольно половинчатые решения, позволяющие городскому транспорту захватить пространства над землёй и под землёй (прежде всего, учёт подземных коммуникаций и эстакад), не меняют принципа в целом.
Требуется:
проанализировать, какие из существующих и перспективных технических решений, от малых беспилотных летающих аппаратов до лёгкого воздушного транспорта, рассчитанного на перевозку людей и
сопоставимых с ними по массе грузов, могли бы быть эффективно решать конкретные транспортные задачи в условиях современного города;
разработать трёхмерную модель навигации в современном городском пространстве, предполагающую использование как внешних средств навигационного позиционирования, так и элементов искусственного интеллекта для оценки складывающейся воздушной обстановки и контроля за безопасностью;
разработать схему «разделения труда» между наземными, подземными и воздушными средствами транспорта для максимально быстрого и эффективного перемещения людей и грузов по городу.
Основное противоречие:
Кроме очевидного противоречия, связанного с «привязкой» транспортного проектирования к плоскостям, существует определённое противоречие на уровне человеческого восприятия, связанное с тем, что средний человек хорошо умеет воспринимать ситуацию в плоскости, но не в объёме. Так, даже в существующих системах диспетчеризации опорой является либо «вид сверху», то есть карта местности, на которую спроецирована текущая обстановка, либо — как в системе организации работы авиадиспетчера — экран, на котором выводится плоская проекция трёхмерной обстановки, например, над аэродромом.
Это противоречие может быть снято двумя способами:
инструменты визуального представления, позволяющие за счёт дополнительной информации (и при наличии соответствующей тренировки) восстановить трёхмерную картину событий по её плоской проекции или серии проекций;
инструменты моделирования, позволяющие автоматически осуществлять диспетчеризацию и формировать готовые решения для управления обстановкой, в том числе, указывать наилучшее направление и режим движения отдельной транспортной единицы, с минимальным вмешательством человека.
Возможные направления рассуждения:
На первом шаге, наиболее полезно составить реестр возможных транспортных задач и определить внутри этого реестра, наиболее «узкие» места, обусловленные современной организацией городского транспорта, а также возможность преодоления этих «узких мест» за счёт выхода «в третье измерение».
Далее, полезно проанализировать существующие разработки малого воздушного транспорта, в том числе, определить те из них, в которых возможности базового инженерного решения используются лишь частично, и выяснить, с чем это связано: с рентабельностью, с ограничениями на эксплуатацию, со сложившимися стереотипами, «закрывающими» возможности новых решений.
После составления реестра задач и имеющихся технических решений, можно уже разрабатывать схему диспетчеризации городского транспорта, действующего в разных физических плоскостях, исходя из обозначенного противоречия. Здесь удобнее было бы исходить из обобщённой модели современного города. Но при желании школьники могут взять и какой-либо конкретный крупный город, активно использующий третье измерение при архитектурном проектировании.
Прототипы:
Очевидный существующий прототип — система диспетчеризации авиасообщений. В этой системе приходится решать задачи двух разных типов:
Сопровождение самолёта на трассе, с учётом достаточно быстрой скорости этого перемещения; того факта, что, как правило, авиатрассы включают в себя несколько потоков и пересекаются; необходимости оперативно учитывать метеоусловия на самой трассе и в точке прибытия.
Сопровождение самолёта в окрестностях аэропорта, как правило, при достаточно большом скоплении авиасредств, перемещающихся в разных направлениях и ограниченных в свободе манёвра; учитывая необходимость отдельно учитывать технические неисправности и других экстремальных обстоятельств, требующих обеспечить особый режим посадки.
С другой стороны, подросткам полезно рассмотреть фантастический прототип, трёхмерную командную спортивную игру «квиддич», хорошо знакомую фанатам «Гарри Поттера». Полезно продумать отдельно, как ориентируется в игре отдельный игрок, как видит ситуацию капитан команды, как видит ситуацию судья, что понимает подготовленный зритель.
Компетенции, выявляемые у школьников:
Способность комплексно анализировать задачу, с возможностью выделить «узкие места», различить технологические и инфраструктурные составляющие.
Способность соотнести главную полезную функцию технического решения с классом решаемых задач и обуславливаемыми им требованиями к решению.
Способность выстроить объёмное представление динамической модели и адекватно использовать способы её демонстрации, основанные на плоскостных проекциях.
Кейс 8.2. Географические условия нашей страны требуют, для успешной организации оперативного транспортного сообщения, активно использовать малую авиацию. Во многих районах Сибири, Дальнего Востока, Крайнего Севера только она может обеспечить регулярное сообщение между населёнными пунктами, связь отдельных посёлков с региональным центром, в короткое время и без издержек, связанных с перемещением по тундре, тайге, горам, в сложных погодных условиях.
В последние десятилетия советской эпохи малая авиация развивалась активно, с опорой на универсальную модель лёгкого самолёта, который не прихотлив к условиям эксплуатации и может быть переоборудован под разные задачи, от пассажирских и грузовых перевозок до санитарной и пожарно-десантной авиации.
Сворачивание малой авиации обусловлено отчасти общими социально- экономическими причинами, отчасти тем, что на замену устаревшему «Ан-2» не пришёл аналогичный, столь же универсальный и не требовательный в плане эксплуатации, но более современный самолёт. Лёгкие универсальные вертолёты также не получили развития. Массово используемые в настоящее время конструкции (тяжёлые вертолёты, самолёты, разработанные для других климатических условий) оказываются либо дорогими в эксплуатации, либо в экстремальных условиях требуют значительных издержек на обслуживание.
Вдобавок, возобновление регулярного авиасообщения в ряде территорий требует либо восстановить, либо создать заново соответствующие инфраструктуры:
Требуется:
проанализировать основные источники издержек, связанных с
«малыми» авиаперевозками грузового и пассажирского характера, а также с содержанием необходимой обеспечивающей инфраструктуры;
предложить базовую модель воздушного транспортного средства, которое было бы максимально технически и экономически эффективным,
нетребовательным в эксплуатации, устойчивым в экстремальных природных условиях;
разработать технологии работы инфраструктуры для придуманных воздушных транспортных средств, позволяющие осуществлять посредством них бесперебойное воздушное сообщение, в частности: систему управления потоками; типовую модель посадочной площадки, технологию разворачивания мобильной посадочной площадки в «полевых» условиях;
представить максимально возможную технико-технологическую документацию по разработанному воздушному транспортному устройству и по модели инфраструктуры, обеспечивающей его использование.
Противоречие
Требуется максимально удешевить транспортное средство и возможности его эксплуатации — и одновременно обеспечить многофункциональность, что задаёт избыточные требования к базовой конструкции, и современный уровень безопасности, а следовательно, сделать транспортное средство объективно дороже в изготовлении, эксплуатации и обслуживании. Известно, что удельная стоимость инфраструктурных издержек существенно уменьшается при возрастании частоты эксплуатации — но для этого необходимы регулярные транспортные потоки, что зачастую в отечественных условиях проблематично именно в случае с малой авиацией, либо мобильные решения.
Направления рассуждений
Необходимо, в первую очередь, выяснить, какие особенности существующих летательных аппаратов обуславливают основные издержки, связанные с их использованием. Далее, следует определить, какие конструктивные решения могут существенно снизить эти издержки; определить технологические модели, могущие быть прототипами; определить условия, при которых инфраструктура для использования этих моделей может быть развернута быстро, оптимально и недорого.
В целом, на основе анализа прототипов, полезно понять, чем лёгкая авиация (малая авиация) принципиально отличается от авиации для крупных магистралей и масштабных перевозок, как по техническим решениям, так и по условиям использования и эксплуатации.
Разработка таких конструктивных моделей может потребовать нетривиальных конструкторских ходов. В том числе полезно не бояться гибридных решений, сочетающих элементы самолёта, вертолёта и иных воздушных транспортных средств.
Прототипы:
В первую очередь, полезно разобраться, почему, в своё время, была столь привлекательна модель самолёта «Ан-2». Важнее всего, какие принятые тогда конструктивные решения — с поправкой на современные технологические возможности, в том числе на современные материалы, особенности разных видов топлива и средства навигации — может быть использованы сейчас, если не напрямую, то в качестве прототипов.
Аналогично могут быть проанализированы лёгкие вертолёты Сикорского, активно использовавшиеся, в частности, армией и полицией США.
Можно обратить внимание на опыт использования парапланов и мотодельтапланов, для быстрой доставки людей и грузов на небольшие дистанции при практически полном отсутствии инфраструктуры (кроме мобильных средств запуска, в качестве которых подойдёт любое буксирующее устройство).
Компетенции, формируемые у школьников:
Способность определять причины недостаточной рентабельности и технологической эффективности конкретного устройства и на этой основе совершенствовать данное устройство, либо разрабатывать схожее по характеристикам и функциям, но более оптимальное для решения актуальных задач;
Способность выделять универсальные характеристики технической разработки, позволяющей решить задачи определённого типа и масштаба, и использовать их при поиске решения для задач, похожих по типу и масштабу, но существенно отличающихся по конкретной специфике;
Способность использовать исторически оправдавшее себя техническое решение как прототип для возможного решения сходных задач, но при изменившихся требованиях и в новых технико-технологических условиях.
Способность комбинировать существующие элементы технических решений (с учётом современных технологических достижений) и на этой основе создавать устройства с заданными главными полезными функциями.
Кейс 8.1. Если «беспилотный» автомобиль попадает в аварию, как определить виновного? Необходимо придумать изменения в правилах дорожного движения, предусматривающие появление автомобилей без
водителя, и соответствующие стандарты безопасности (в том числе требования к искусственному интеллекту таких автомобилей).
Противоречие
Традиционно виновником нарушений правил дорожного движения становился водитель, чья воля полностью управляла транспортным средством, который контролировал его техническую исправность. Водителя, как правоспособного гражданина, можно было привлечь к юридической ответственности; он сам это осознавал и в каждый момент времени, что находился за рулём, старался не допустить нарушений, по крайней мере, критически значимых, ведущих к аварии. В случае с автономным транспортом, его искусственный интеллект разрабатывают одни люди; собирают, в виде бортового компьютера, другие; непосредственно программируют третьи. Все они заведомо не могут каждую минуту своей жизни думать, не нарушит ли автомобиль, ведомый созданным ими искусственным интеллектом, каких-либо правил: они лишь, при сдаче продукта, один раз гарантируют, что продукт будет исправно работать.
Возможные направления рассуждений школьников:
Продуктивно будет обсудить, во-первых, достоверный способ определения конкретной причины, по которой произошла авария (из-за чего произошёл сбой, и кто из специалистов, готовивших машину к рейсу, отвечал за тот аспект, в котором произошёл сбой); во-вторых, способ фиксации причастности конкретного человека к подготовке машины к рейсу в каждом конкретном аспекте; в-третьих, способ проверки того, что сбой не был обусловлен обстоятельствами непреодолимой силы, не зависящими от качества первоначальной подготовки машины. На основании этих обсуждений, можно уже предлагать возможные регламенты допуска автономного автомобиля к рейсу (такие, которые не замедляли бы выезд автомобилей критическим образом), а также регламенты разбирательства на месте в случае аварий и назначения наказания.
Возможные прототипы:
Аналогичные проблемы возникли, когда появились первые самодвижущиеся устройства (паровые дилижансы в Англии). Значительный риск, связанный с движением такой машины по городской улице, привёл к принятию ряда законов, которые, как выяснилось позже, существенно затормозили развитие городского транспорта.
В то же время использование таких устройств на специально организованных путях привело к появлению железных дорог как основного
способа сообщения между городами и между странами, а затем — и к появлению городского рельсового транспорта (трамвай, метро).
Какой вариант сейчас был бы наиболее эффективен, с учётом человеческих предрассудков?
Способности и компетенции школьников, диагностируемые за счёт решения данной задачи:
способность к анализу проблемной ситуации и точному выяснению возможных источников проблемы;
способность к моделированию сложной системы отношений по поводу технической инновации, в том числе, к определению значения каждого из элементов системы для успешного внедрения и обслуживания этой инновации;
представление о том, что любая принципиальная техническая инновация обуславливает изменения в социальной и правовой сфере; способность спрогнозировать возникающие вследствие этого проблемы и предложить социально-управленческие решения, которые сделают внедрение изменений наиболее безболезненными.
Задача открытого типа не может оцениваться непосредственно по соответствию правильному решению или алгоритму получения правильного решения, как в большинстве стандартных задач по точным, естественным и инженерным дисциплинам.
Среди параметров оценки можно выделить условия, выполнение которых необходимо. Невыполнение этих условий означает, что задача заведомо не решена, либо произошла подмена задачи. Как правило, подмена задачи — упрощение условия (или опускание части условия), приводящее к потере исходного противоречия.
Что точно должно быть:
Серия тезисов, описывающих решение или последовательность шагов, неизбежно приводящих к решению (в случае инженерной разработки или управленческого решения, которые не могут быть реализованы непосредственно силами школьников).
Логически выстроенная аргументация, показывающая, каким образом предложенные тезисы решают поставленную задачу.
Список основных понятий, используемых при решении задачи, с отсылками к общепризнанным определениям (энциклопедиям, учебникам, справочникам) либо с пояснением собственного понимания этих понятий.
Чего точно не должно быть:
Аргументации по типу «Deus ex machina» («Бог из машины»), апелляции к некоторой силе, внешней по отношению к условиям задачи.
Типичные варианты такой аргументации у современных школьников, как правило, строятся по принципу: «Когда-нибудь учёные придумают…».
Апелляции к изобретениям, описанным в фантастической литературе и кинематографе, без объяснения того, за счёт чего они могут быть реализованы на уровне современной науки и техники. Типичные примеры для современных подростков — робот, фактически являющийся сверхчеловеком («Терминатор»), полностью виртуальная среда («Матрица»), нуль-транспортировка.
«Нулевых» решений, отменяющих само существование задачи. Например, решения в сфере транспорта не нужны, если никто никуда не перемещается. Решения в сфере медицины не нужны, если люди каким-то чудесным образом не болеют или стали киборгами, которым нужен ремонт, а не лечение. Инфраструктура северных городов не нуждается в совершенствовании, если север осваивается вахтовым методом, а стационарные поселения сворачиваются. И так далее.
Выполнение этих условий может быть оценено из общих логических соображений и не требует экспертного уровня владения предметным материалом. Хотя общее знакомство того, кто оценивает выполнение заданий, с материалом — на уровне основных понятий и существующего уровня достижений, представленных на тематических информационных порталах, желательно.
Отметим ещё, как при оценке могут быть использованы наводящие соображения, представленные в комментариях к задачам. Как уже указано, для школьника они могут являться источником продуктивных аналогий и приёмов рассуждения. Педагог так же может быть использовать их как образец схем и приёмов рассуждения при работе с данным предметным материалом, что позволит более точно оценить логику решения.
Самостоятельная разработка инженерных задач открытого типа требует:
Общего знакомства с конкретным типом задач, существующими разработками, приоритетными направлениями развития соответствующей сферы, актуальными проблемами, обсуждаемыми в профессиональном сообществе.
Общего понимания структуры открытой задачи, знакомства, как минимум, с одной из образовательных технологий, основанных на работе с открытыми задачами. Желателен также опыт личного участия разработчика в реализации одной из таких технологий.
////////////////////////////