Педагогічний університет "ПЕРШОГО ВЕРЕСНЯ"

Бухвалов В.А.

Розвиток творчих здібностей учнів на уроках біології

c застосуванням елементів теорії розв'язання винахідницьких завдань (ТРВЗ)

На жаль, доводиться констатувати, що незважаючи на триваючу реформу змісту шкільної освіти, на уроках біології переважає інформаційно-репродуктивне навчання. Подібний підхід не відповідає вимогам сучасного суспільства, де на перший план виходить не стільки енциклопедичність знань, скільки вміння отримувати інформацію, її перетворювати і творчо використовувати для дослідницької або практичної діяльності.
У другій половині минулого століття Г.С. Альтшуллером була розроблена теорія рішення винахідницьких задач (ТРВЗ). У примітивній трактуванні ТРИЗ являє собою комплект алгоритмів формулювання і рішення творчих завдань. Елементи ТРВЗ можна застосовувати як дуже ефективний засіб для розвитку творчого мислення учнів під час навчання їх біології в школі. З 1987 р такий експеримент проводиться автором і його колегами з приблизно десяти шкіл Латвії.
Реалізація цієї роботи зажадала вніс-ти значні зміни в зміст курсу. Поряд з традиційними інформаційними текстами, репродуктивними питаннями і лабораторними роботами в курс були включені біологічні проблеми - творчі завдання, які складалися як самим автором, так і його колегами. Додатково до цього були створені комплекти творчих робіт з біології дослідницького, експертного, проектного та прогностичного змісту, які також використовуються на уроках і в якості домашніх завдань.
Пропоновані вісім лекцій - це стислий курс основних видів навчальної діяльності учнів і методичного забезпечення вчителя, спрямований на те, щоб ознайомити колег з ТРИЗ-підходом у викладанні біології в школі.

Навчальний план курсу

№ газети	Навчальний матеріал
	лекція 1. Структура і зміст біологічного дослідження
	Лекція 2. Біологічні проблеми і методи їх розв'язання
	Лекція 3. Проблематізація біологічних понять Контрольна робота № 1 (Термін виконання - до 25 листопада 2006 року)
	Лекція 4. Експертні роботи з біології
	Лекція 5.Проектні роботи з біології Контрольна робота № 2 (Термін виконання - до 25 грудня 2006 року)
	Лекція 6.Введення в технологію наукових відкриттів
	Лекція 7. Творча біографія вченого
	Лекція 8. Методика організації навчальної діяльності учнів для ефективного розвитку творчих здібностей
Підсумкова робота. Підсумкові роботи, супроводжувані довідками з навчального закладу (актами про впровадження), повинні бути спрямовані в Педагогічний університет не пізніше 28 лютого 2007 р

Лекція 1. Структура і зміст біологічного дослідження

Специфіка дослідження в науковій практиці

Сучасне життя неможливо уявити без науки. Задамо учням просте запитання: у чому значення науки в повсякденному житті людини? Як не дивно, наші учні багато можуть розповісти з теорії науки: навести приклади закономірностей і законів, теорій і методів пізнання, але чомусь це питання часто викликає у них складне становище. А адже скринька відкривається дуже просто - все, що оточує нас в шкільному класі, є пряме втілення науки в практику: сама будівля школи побудовано відповідно до законів зведення інженерних споруд; парти, підручники, зошити створені з урахуванням гігієнічних норм; світильники в кабінеті встановлені відповідно до законів електротехніки. Навіть наш одяг створена з урахуванням цілого букета законів і закономірностей. Збираючись вранці в школу, ми користуємося милом, готуємо чай або каву, робимо зарядку, і все це забезпечується практичним застосуванням знань про наукові закономірності. Причому ці знання закладаються в нас з раннього дитинства батьками як прості істини, можна сказати аксіоми. Ми з дитинства звикаємо їм слідувати, не особливо замислюючись над їх правильністю.

Виникає перше питання: чи все у нас правильно в методиках викладання предметів, якщо теоретичного-етичні закономірності учні, в цілому, знають непогано, але прохання теоретично обґрунтувати їх власні практичні дії часто ставить їх в глухий кут? Наприклад, діти навряд чи зможуть відповісти на питання: які закони фізики треба знати, щоб встановити розетку? Або якісь правила біології нуж-но мати на увазі при догляді за кімнатними рослинами? Або, які правила визначають, що потрібно чистити зуби мінімально два рази в день, а не, скажімо, три або п'ять?

Наукові дослідження в багатьох випадках на-чину з постановки конкретних практичних завдань, на які відповідей не було або наявні на той час відповіді не дозволяли повною мірою отримувати високі практичні результати.

Візьмемо класичний приклад з исследовани третьому живлення рослин. Ще стародавні землероби навчилися використовувати гній і золу для збільшен-ня врожайності рослин. Однак постійні, на про-тяженіі століть, коливання врожайності ясно давали зрозуміти, що поєднання мінеральних і органічна

ких добрив підкоряються певним правилам і залежать не тільки від грунту, але і від вирощують-мих культур. І тільки в кінці XIX - початку XX ст. агрохімія поступово стає самостійною наукою, і виявляє закономірності комплектації і застосування добрив на полях.

Таким чином, перша специфічна особливість наукового дослідження полягає в тому, що питання, на які вчені шукають відповіді, виникають в реальній практичній діяльності. Такі питання називаються проблемами. Проблема - це питання, на яке немає відповіді взагалі або наявні відповіді не є конкретними, що забезпечують ефективність практичної діяльності. Проблеми - постійні супутники нашого життя, великі чи маленькі, складні або не дуже, але вони завжди там, де ми намагаємося щось робити. Можна, звичайно, нічого не робити, але тоді виникає проблема виживання.

Вчені в більшості своїй - люди вельми наглядові та допитливі. Вони завжди ставлять під сумнів те, що багатьом здається простим і зрозумілим. Простий приклад з робіт М. Коперника. Всі знають, що Сонце встає на сході і сідає на заході. На початку XVI ст. майже ніхто не сумнівався, що саме Сонце обертається навколо Землі, адже рух Сонця бачили все, рух Землі не бачив ніхто. І тільки Н. Коперник засумнівався: а чи так це чи тільки здається? В результаті досліджень вченому вдалося довести, що все якраз навпаки: Сонце стоїть на місці, а планети, включаючи Землю, рухаються навколо нього.

Але чи потрібно займатися перевіркою всіх відомих істин?

Повернемося до прикладу з застосуванням добрив на полях. Століттями ця робота виконувалася на основі практичного досвіду. Можна стверджувати, що хлібороби навчилися досить ефективно використовувати різні поєднання мінеральних і органічних добрив, але виникає питання: чи були ці практичні рішення найкращими?

І тут ми підходимо до другої специфічної особливості наукових досліджень: результати наукових досліджень не можуть мати характеру абсолютної істини, оскільки завжди обмежені методами пізнання і інтелектуальними можливостями дослідників і, отже, вимагають періодичної перевірки. Це означає, що будь-яка істина, навіть сама, здавалося б, непорушна, повинна час від часу піддаватися сумніву і перевіряти ще раз. З'являються нові методи досліджень, і їх застосування часто призводить до істотних уточнень в змісті істин, а іноді і до повної заміни старих істин на нові.

Часто можна чути, як молоді люди скептично заявляють, що, мовляв, в науці перспектив недостатньо: уже все або майже всі великі відкриття зроблені, і витрачати роки, а то і все життя, на дрібні деталі не має сенсу. До речі, в усі часи велика частина молоді скептично ставилася до наукової кар'єри і тільки деякі «починали все заново», перевіряючи те, що вважалося непорушною істиною.

Завжди потрібно пам'ятати, що будь-яка істина народжується як єресь і вмирає як оману. Правда, ніхто не знає часу життя істини, та й неможливо його визначити. Цей час залежить від швидкості появи нових методів пізнання і вчених з неабияким інтелектом. Що ми знали про клітинному будову організмів до появи мікроскопа? Нічого, крім гіпотез, з цього приводу не було. Винахід мікроскопа привело до революційних відкриттів в області будови і життєдіяльності клітин і тканин, виникнення нових наук - цитології, ембріології, гістології.

Вчених в цілому влаштовувала фізична картина світу, оформлена в струнку систему механіки І. Ньютона, і раптом, а так завжди в науці буває, саме раптом, з'являється людина з неабияким інтелектом, А. Ейнштейн, який висуває спеціальну теорію відносності спочатку як гіпотезу. І це дає новий напрямок для фізичних досліджень і призводить до перегляду всієї фізичної картини світу, яка ще недавно вченим здавалося простою, зрозумілою і в цілому не суперечливою.

Третя специфічна особливість наукових досліджень полягає в необхідності постійної самоосвіти з метою вивчення інформації з усіх питань, що належать до сфери дослідження. Напевно, ні в одній професії немає такої жорсткої вимоги постійно вивчати наукову літературу та результати новітніх досліджень, Як в професії вченого. Досвід інших дослідників, викладений в публікаціях, оформляється у вигляді наукової картотеки, яка з роками поповнюється і є найціннішим інструментом наукового пізнання. Адже не дарма кажуть, що той, хто володіє інформацією, володіє істиною. Чому картотека так важлива в науковій діяльності? Тому що вона визначає поле відомої інформації та чітко позначає межу, за якою починається невідоме.

У 1919 р одеський рахівник І.Губерман за допомогою елементарної алгебри вийшов практично на ті ж положення спеціальної теорії відносності, що і А. Ейнштейн. Яке ж було його здивування і засмучення, коли він дізнався, що ці положення вже відкриті. Відрив від інформації про новітні дослідження зводить наукову діяльність нанівець.

Четверта специфічна особливість науки полягає в пошуку і перевірці всіх можливих шляхів ведуть до істини. Такими шляхами є наукові гіпотези. Наукова гіпотеза завжди включає в себе певні факти і припущення. Якщо гіпотеза будується без наукових фактів, лише на одних припущеннях, то найчастіше вона позбавлена \u200b\u200bнаукового сенсу. Це дуже важливий методологічний аспект, який визначає об'єктивність наукових досліджень.

Хто-небудь замислювався над питанням: а чому, власне, цікаві гіпотези приходять в голову, як правило, вченим, які займаються дослідженнями? Чому ці гіпотези не приходять в голову нам? Чим ми гірші? Ось, скажімо, «батько російської авіації» Можайський, як-то гуляючи під дощем, звернув увагу на те, як вода, що стікає з водостічної труби, обтікає цегла. Дивлячись на положення цегли, він прийшов до ідеї про форму крила літака. Інший приклад: на думку деяких істориків науки, хіміку Кекуле приснилася форма бензольного кільця. Може бути, і нам що-небудь присниться або прийде в голову, як Можайському, якщо частіше гуляти під дощем?

Ні те ні інше. Побачити наукову гіпотезу може тільки той, хто занурений в інформацію з даної теми. В основі гіпотези завжди лежать факти, і сама гіпотеза, як інтуїтивне осяяння, народжується лише в тому випадку, якщо вчений регулярно осмислює ці факти і створює в розумі варіанти різних послідовностей рішення проблеми. В іншому випадку нічого не буде.

Називати це можна по-різному: инсайтом, осяянням, шостим почуттям, божественним одкровенням, як завгодно. Але істина відкривається лише гідним, тим, хто довів своє право на неї багаторічним наполегливою працею, а іноді і всім життям. Може тому немає серед Нобелівських лауреатів молодих і завзятих?

Що таке результати наукової роботи? Припустимо, що вчений все своє життя присвятив тому, щоб перевірити ряд гіпотез, і до кінця життя і кар'єри переконався, що всі вони помилкові. Чи може таке бути? Ще й як! Адже ми знаємо імена тих вчених, які домоглися безсумнівних успіхів, творців законів і теорій, авторів знаменитих і оригінальних гіпотез, методів досліджень. Але сотні імен вчених, які не зробили великих відкриттів, залишаються тільки в анналах спеціальної наукової літератури. Про них майже ніхто не знає. Вони перевіряли різноманітні гіпотези і переконувалися самі і переконали інших, що багато хто з цих гіпотез неспроможні. Виходить, життя даремно? Раз немає великих відкриттів, то який же ти вчений?

Ні, не даремно. Їх роботи не менш важливі, ніж роботи творців законів і теорій. Саме завдяки їх зусиллям економиться час інших вчених на непотрібні пошуки, звужується поле пошуку істини. Гіпотез, пов'язаних з вирішенням проблеми, може бути дуже багато - десятки і навіть сотні. Виникає питання: а чи потрібно все перевіряти? Може бути, досить перевірити десять, тридцять або ті, які вченому здаються найбільш близькими до істини?

Специфічна особливість наукових досліджень якраз в тому і полягає, що потрібно перевіряти всі можливі гіпотези. Ніхто не знає і не може знати, а інтуїтивно це визначити вкрай складно, яка гіпотеза в результаті практичної перевірки виявиться істиною.

Більш того, таких істин може бути кілька, що дає в подальшому альтернативні напрямки в розвитку науки і практики. Тому наукове дослідження вимагає терпіння і багаторазової перевірки.

Зробимо деякі висновки з першої частини нашої лекції.

висновок перший - песимістичний. Наукова робота найчастіше не приносить ні грошей, ні слави. Як писав К.Е. Ціолковський: «Я все життя займався тим, що не давало мені ні слави, ні хліба, але я вірив, в те, що в майбутньому мої роботи принесуть людям гори хліба і безодню могутності» ( «Мрії про Землю і небо»).

Чи означає це, що наука - це заняття для людей не від світу цього. Зовсім ні. Уже в школі треба починати підготовку до наукової діяльності, навчаючи учнів азам наукових досліджень і пошуку проблем, які мають перспективи для наукової практики. Слід пам'ятати, що суспільство може бути цивілізованим і конкурентоспроможним тільки за умови конкурентоспроможності наукових інститутів, наявних в цьому суспільстві.

Одна з головних завдань вчителя - знайомити учнів з новітніми дослідженнями в досліджуваної науці, з проблемами, над якими в даний час працюють вчені, методами їх рішень, практичними перспективами використання можливих рішень. Що стосується грошей і слави, то адже чимало професій, які тримаються на ентузіазмі людей, які обирають ці професії. Професії лікаря, вчителя, інженера у нас не є високооплачуваними, але неможливо уявити суспільство без цих професій.

другий висновок - оптимістичний. Практика роботи багатьох учителів показує, що, починаючи з 6-7-го класів, учнів можна поступово навчити методології наукових досліджень. Більш того, вже в школі окремі учні можуть виконати досить успішні і цікаві з наукової точки зору дослідження.

висновок третій - методологічний. Викладений вище матеріал являє собою інформацію для організації дискусій з учнями. По кожній особливості наукових досліджень можна проводити окремі дискусії, причому, починаючи вже з 6-го класу. Адже специфіка наукових досліджень - це деякі закономірності наукової діяльності, розуміння суті яких дозволяє реально уявити учневі роботу вченого. Коротенько повторимо послідовність її основних етапів.

Світ навколо нас можна розглядати як сукупність проблем, що виникають у практичній діяльності, і важливо навчитися бачити і формулювати ці проблеми.

Дуже важливо час від часу переглядати відомі закономірності, закони і теорії, особливо зіставляючи їх з новими фактами. Повинна йти справжнє «полювання» за протиріччями між теорією і фактами. Саме протиріччя і є двигун науки.

Для накопичення необхідної для наукової роботи інформації потрібна картотека. В ідеалі, картотеку потрібно починати складати з дитячого садка, В крайньому випадку, зі шкільної лави. Чим більше картотека з досліджуваної теми, тим більше шансів на перемогу, тобто на наукове відкриття, шана, славу, гроші, Нобелівську премію, нарешті. Це якщо з гумором підходити до справи. А якщо серйозно, ведення картотеки вимагає постійної самоосвіти - адже потрібно не просто виписати факт, але і проаналізувати його взаємозв'язок з іншими фактами і теоріями.

Отже, зіставивши факти і теорію, ми побачили протиріччя. Починається найцікавіше - формулювання гіпотез для розв'язання суперечностей і їх перевірка. Гіпотези повинні мати хоча б часткову фактологічну основу, тобто бути науковими, і чим гіпотез буде більше, тим імовірніше, що хоча б одна з них виявиться істиною.

Але чи все в цих висновках відповідає науковій роботі або щось тут не так? Ось про це і треба дискутувати з учнями.

Структура біологічного дослідження і особливості його змісту

дослідження - це рішення проблеми, що включає в себе теоретичний аналіз, оформлення гіпотез, практичну перевірку отриманих гіпотез і оформлення результатів. Наукове дослідження має наступну структуру.

1. Постановка проблеми, мети і завдань дослідження.Від того, наскільки правильно сформульована проблема, залежать результати всього дослідження. Проблема дослідження - це складне становище в поясненні життєдіяльності організму або спільноти, недолік або відсутність інформації про який-небудь об'єкт або процес.

Формулювання проблеми починається з короткого опису ситуації, в якій виникає проблема, після чого складається формулювання самої проблеми.

Для формулювання проблеми про виникає скруті можна використовувати наступну схему: виконання дії (короткий опис його суті) дає позитивний ефект (вказується, який), але при цьому виникає негативний ефект (вказується, який).

Для формулювання проблеми про нестачу або відсутності інформації про будь-якій системі можна використовувати наступну схему: підвищення ефективності функціонування системи (вказується, який) можливо в тому випадку, якщо будуть створені спеціальні умови (Вказується, які).

Виходячи з суті проблеми, формулюється мета дослідження. Мета - це очікуваний результат дослідження.

Відповідно до мети формулюються задачі дослідження. У завданнях дослідження вказуються основні етапи роботи, їх, як правило, три: теоретичний аналіз проблеми дослідження, оформлення гіпотез рішень проблеми в теоретичну модель і практична перевірка теоретичної моделі і її корекція.

2. Вибір методів дослідження. Вибір методів дослідження визначається поставленими завданнями. Для виконання кожного завдання слід ретельно продумати і вибрати теоретичні і (або) практичні методи.

До теоретичних методів відносяться: порівняльний аналіз інформації з наукової літератури, моделювання, системний аналіз, методика розв'язання протиріч, конструювання та проектування.

До практичним методам дослідження відносяться: спостереження, вимірювання, анкетування, інтерв'ю, тестування, бесіда, метод рейтингу (визначення значущості об'єкта, діяльності будь-якої особистості або події шляхом використання спеціальної шкали оцінок), метод незалежних характеристик (складання письмовій характеристики об'єкта, особистості або події великою кількістю людей незалежно один від одного), експеримент.

3. Теоретичний аналіз проблеми. Абсолютна більшість наукових проблем не є об'єктивно новими. Вони вже колись ставилися вченими в різних формулюваннях і мають певні рішення. Інша справа, що наявні рішення малоефективні або призводять в появі небажаних негативних наслідків.

Тому перший етап теоретичного аналізу - це вивчення і аналіз наукової та науково-популярної літератури. Без такого аналізу велика ймовірність того, що отримані результати дослідження будуть повторювати раніше відомі рішення проблеми.

Приступаючи до аналізу наукової літератури, слід, перш за все, вибрати необхідні джерела. Для цього найкраще скористатися систематичним каталогом бібліографічного відділу наукової бібліотеки.

При роботі з кожною книжкою уважно ознайомтеся зі змістом, виберіть глави і параграфи, які мають безпосереднє відношення до проблеми дослідження. З цих глав виписуються тільки ті фрагменти, в яких міститься інформація про методи вирішення проблеми, отримані рішеннях. Ці фрагменти виписуються повністю, або складаються їх анотації.

Однією з умов правильного аналізу наукової літератури є порівняння різних підходів до вирішення проблеми, вказівку сильних і слабких сторін у кожному з отриманих авторами рішень. Після завершення аналізу наукових монографій необхідно проаналізувати науково-популярну літературу і, перш за все, науково-популярні журнали. Часто результати новітніх досліджень публікуються саме в науково-популярній літературі.

На другому етапі теоретичного аналізу виконується рішення проблеми за допомогою методів діалектичної логіки і формулювання гіпотез. Оптимальний шлях - це рішення проблеми всіма зазначеними вище методами: системним аналізом, методикою вирішення протиріч. Про застосування цих методів буде розказано в другій лекції.

На третьому етапі теоретичного аналізу порівнюються вирішення проблеми, отримані в процесі аналізу наукової літератури, і гіпотези, отримані при проведенні діалектичного аналізу. В результаті цієї роботи конструюється теоретична модель мети дослідження для подальшої практичної перевірки.

4. Практична перевірка теоретичної моделі.Практична перевірка теоретичної моделі включає в себе, як правило, наступні три групи операцій.

1. Практична перевірка теоретичної моделі за допомогою експериментів і її корекція. Досліднику слід пам'ятати, що критерієм істини є практика, а саме експериментальна перевірка отриманих теоретичних положень.

Плануючи проведення експериментів, слід дотримуватися наступних правил: 1) максимальне вилучення із досвіду чинників, які можуть перешкодити його проведенню або спотворити результати; 2) багаторазове повторення дослідів; 3) порівняння результатів досвіду з результатами в контрольному досліді, тобто за відсутності факту, дія якого досліджується, або в стандартних умовах; 4) можливі негативні наслідки для учасників досвіду повинні прораховуватимуться заздалегідь; 5) позитивний результат дослідів - це досягнення стійких (відтворюваних) позитивних результатів в більшості дослідів.

2. Соціометрія - це вивчення думок різних людей про експериментальну системі за допомогою бесід, анкетування, інтерв'ю, методів рейтингу і незалежних характеристик, тестів. Соціометрія дозволяє побачити і оцінити достоїнства і недоліки експериментальної системи очима багатьох людей, як мають, так і не мають відношення до її створення. Однією з умов соціометрії є попереднє ознайомлення учасників опитувань з експериментальною моделлю. Люди повинні знати те, про що вони будуть висловлювати свою думку.

Для підготовки питань анкети або інтерв'ю можна використовувати наступну схему:

- Як ви ставитеся до досліджуваної системі?
- У чому, на вашу думку, полягають позитивні сторони моделі?
- У чому, на вашу думку, полягають негативні сторони моделі?
- Як ви думаєте, чи потрібно внести в систему наступні зміни (вказується, які саме)? - Які зміни ви пропонуєте внести в систему?

3. Математичний аналіз результатів експериментів і соціометрії передбачає побудову графіків, діаграм, складання рівнянь, а також визначення коефіцієнта змін корисних функцій.

Графіки і діаграми будуються на основі загальних правил. Коефіціент зміни кожної корисної функції системи розраховується як відношення кількісного показника корисної функції системи до впливу до кількісним показником корисної функції після впливу на досліджувану систему. Коефіцієнти змін корисних функцій можуть бути виражені у відсотках, для цього отримані цифрові значення множаться на 100%.

Математична обробка отриманих результатів дозволяє більш точно визначити ефективність функціонування експериментальної системи.

5. Складання висновків і пропозицій.Цей етап дослідження включає в себе наступні дві частини.

1. Реєстрація розірвання. У цій частині дослідження складаються узагальнені висновки по кожній частині роботи. На основі теоретичного аналізу проблеми у висновках коротко відображається отримана теоретична модель, її сильні і слабкі сторони. На основі практичної частини роботи аналізуються результати експериментів, вказуються елементи корекції, які були внесені в теоретичну модель, - остаточно оформляється результат (мета) дослідження.

На підставі математичної обробки результатів експериментів і соціометрії аналізується зміна ефективності функціонування отриманої експериментальної системи в порівнянні з загальноприйнятими даними і відношення людей до неї.

Слід пам'ятати, що в процесі дослідження можуть бути отримані як негативні, так і позитивні результати. Принципово важливою є аргументація, яку пропонує дослідник для пояснення отриманих результатів.

Завершуючи яка констатує частина, дослідник оцінює теоретичні і практичні результати проведеного дослідження.

2. Прогнозуюча частина. У цій частині формулюються пропозиції щодо подальших досліджень, що вивчається. Дослідник складає короткий прогноз розвитку досліджень системи, формулює проблеми, які можуть виникнути в її діяльності, і становить короткий план їх вирішення.

6. Оформлення списку використаної літератури.(В РФ для кожного виду публікацій встановлені державні стандарти (ГОСТ) бібліографічних описів. За кордоном видавці визначають правила бібліографічних описів для кожного виду видання.)

Список літератури, яка використовувалася в процесі дослідження, може бути складений двома способами: за алфавітом або по порядку використання. Якщо вказуються наукові монографії, то форма запису має такий вигляд:

1. Іванов В.В. Балтійське море. - Рига: Просвещение, 1987. - С. 34-37.
Вказані сторінки видання, використані в роботі, але можна вказати і загальна кількість сторінок в книзі. У цьому випадку замість С. 34-37, записується загальна кількість сторінок у книзі, наприклад, 205 с.
Якщо Сторона зазначає статті з наукових журналів або газет, то форма запису має наступний вигляд:

2. Петров А.Н. Заповідник Моріцсала // Природа і ми. - 1989. - №7. - С. 32-41.

Сформулюємо деякі висновки з цієї частини лекції. Ознайомлення учнів з технологією наукового дослідження бажано побудувати через серію обговорень його окремих етапів на уроках. При цьому розповідь вчителя про особливості кожного етапу бажано доповнювати письмовими міркуваннями (есе) учнів на тему про значення даного етапу для процесу дослідження і його результатів. Складання есе рекомендується проводити в групах, потім зачитувати і обговорювати, причому іншим групам ставиться завдання спростувати основні висновки зачитуємо есе.

Методика ознайомлення учнів з біологічним дослідженням

Досвід навчання учнів технології наукового дослідження дозволяє запропонувати як один з можливих варіантів методики викладання наступний підхід:

6-9-ті класи - вивчення елементів дослідницької діяльності;

10-11-ті класи - цілісне вивчення технології наукового дослідження.

Безсумнівно, що серед учнів основної школи завжди будуть діти з високим інтелектуальним рівнем, які до 7-9-го класу зможуть провести цілісне біологічне дослідження, однак таких дітей одиниці.

Навчання аналізу наукової і науково-популярної літератури

У 6-8-х класах рекомендується навчити учнів методикою роботи з інформацією з наукової та науково-популярної літератури. Існує п'ять варіантів такої роботи (за ступенем ускладнення): 1) картотека (набір анотацій); 2) енциклопедична довідка; 3) доповідь; 4) реферат; 5) оглядовий аналіз.

Відразу слід сказати про обсяг робіт. На жаль, часто вчителі завищують вимоги до обсягу доповідей учнів. Обсяги інформаційних робіт слід жорстко обмежувати, дотримуючись принципу: слів повинно бути мало, думкам має бути тісно. Тим, хто сумнівається в цьому, можна нагадати, що докторська дисертація А. Ейнштейна по спеціальної теорії відносності була викладена всього на 25 сторінках. І це в той час, коли подібні дисертації писали не менше, ніж на 150-200 сторінках.

картотека являє собою набір карток, на яких коротко викладено зміст статті або книги. Навчання складання картотеки слід починати з текстів підручника. приблизний план анотації може бути наступним: 1) назву тексту; 2) основні ідеї тексту; 3) факти, аргументи і досліди на підтримку основних ідей; 4) протиріччя між аргументами; 5) проблеми (брак або відсутність інформації про що-небудь). Обсяг картки - не більше половини сторінки А4 (900 знаків).

енциклопедична довідка являє собою збірник карток за обраною темою. Обсяг енциклопедичної довідки зростає з кожним роком.

доповідь являє собою текст, в якому наводиться порівняння двох або більше думок вчених, результатів досліджень за обраною темою. На першому етапі навчання можливе складання елементарних доповідей за матеріалами енциклопедії або Інтернету (це скоріше інформаційне повідомлення, ніж доповідь). Основне завдання доповіді - порівняння різних думок і пошук можливих протиріч. Обсяг доповіді не більше 3 сторінок.

реферат відрізняється від доповіді тим, що на основі порівняння думок різних вчених з обраної теми автор реферату формулює проблеми (протиріччя) і висуває гіпотези для їх рішень. Ця форма роботи оцінюється вище, ніж доповідь. Обсяг реферату - не більше 5 сторінок.

оглядовий аналіз - це реферат, в якому викладені основні наукові думки, результати досліджень з даної теми, зроблений їх порівняльний аналіз, сформульовані проблеми (протиріччя) і висунуті гіпотези. Обсяг оглядового аналізу бажано обмежити 7-10 сторінками.

Навчання формулювання проблем, їх вирішення і висунення гіпотез

Цей великий і досить складний розділ ми розглянемо докладно в другій і третій лекціях.

Навчання спостереженнями, вимірам, дослідам

Це традиційні елементи біологічних досліджень. Навчання методам цих досліджень здійснюється в рамках програмних лабораторних і практичних робіт. Однак необхідно зробити одне важливе доповнення з теорії розв'язання винахідницьких завдань (ТРВЗ, докладніше про ТРИЗ - в наступних лекціях). Вимірювання повинні виконуватися відповідно до наступних правил.

1. Для точного визначення стану системи необхідно послідовне вимір всіх її змін.

2. Якщо неможливо виміряти параметри самої системи, то це можна зробити на її копії або адекватної моделі.

3. Якщо вимірювання параметрів системи викликає значні труднощі, то бажано так змінити систему, щоб відпала необхідність у вимірах цих параметрів.

4. Точність вимірів можна підвищити, якщо порівняти систему з одним або декількома зразками, параметри яких відомі.

Навчання планування досліджень в 8-11-х класах

Під плануванням досліджень розуміється спеціальна серія творчих завдань для учнів, виконуючи які, вони складають опис плану передбачуваних досліджень. Цю роботу бажано починати вже в 8-му класі. В середній школі ця робота повинна бути обов'язковим складовим елементом навчальної діяльності учнів.

Наведемо кілька прикладів таких завдань.

1. Складіть план дослідження стану окру-лишнього середовища в околицях вашої школи, використовуючи в якості індикаторів дерева, лишайники, видовий склад і кількість трав'янистих рослин.

2. За деякими даними, ожиріння у людини є генетичним захворюванням, а не наслідком нераціонального способу життя. Складіть план дослідження для визначення реальних причин ожиріння.

3. Вчені встановили, що роботи серця людини недостатньо для перекачування крові по організму. Складіть план дослідження, яке необхідно було виконати вченим.

Планування дослідження бажано проводити в групах або парах учнів. Ці форми, особливо групова форма, забезпечують оптимальну організацію спілкування учнів.

Учням можна запропонувати наступний алгоритм вирішення цієї задачі, який є лише одним з можливих алгоритмів планування дослідження.

1. Визначте мета дослідження: який результат передбачається отримати в процесі дослідження? У чому практичний сенс дослідження?

2. Визначте завдання та методи дослідження - послідовність етапів роботи для досягнення мети.

3. Сформулюйте проблему дослідження - складне становище, яке необхідно усунути, недолік або відсутність інформації про мету дослідження.

4. Сформулюйте гіпотезу (гіпотези) дослідження - припущення про можливий спосіб вирішення проблеми.

5. Складіть короткий опис інформації, яку необхідно отримати з наукової літератури для побудови теоретичної моделі проблемної ситуації.

6. Складіть опис спостережень, дослідів і вимірювань, які необхідно виконати для перевірки гіпотези (гіпотез).

7. Що буде міститися в висновках з результатів дослідження?

Приклад планування дослідження

Вчені встановили, що тільки 10% ДНК клітин людини регулярно працює на синтез білка. Які дослідження необхідно було провести вченим для такого висновку? Складіть його план.

Плануємо дослідження за наступним алгоритмом.

1. Мета дослідження - визначення обсягу та складу регулярно працюють генів по відношенню до загального обсягу генів. Практичний сенс дослідження полягає в багатьох аспектах, наприклад в тому, щоб зрозуміти, які гени інтенсивно працюють і, можливо, швидше зношуються і як це впливає на тривалість життя людини. Ще один варіант - спробувати знайти механізм регулювання роботи генів, особливо виключення тих генів, робота яких небажана в даний віковий період.

2. Завдання дослідження:

1) аналіз наукової літератури: знайти в науковій літературі інформацію про роботу генів;

2) експериментальні дослідження для визначення експресії генів (для визначення білків будуть використані хімічні методи);

3) порівняння результатів експериментальних досліджень з даними, наявними в науковій літературі.

3. Проблема дослідження - необхідне отримання точної інформації про інтенсивність роботи та склад регулярно працюють генів людини протягом його життя.

4. гіпотез може бути багато, проте обмежимося однією: у людини регулярно працюють не всі гени, а тільки їх частина, що забезпечує синтез білків, необхідних для підтримки нормальної життєдіяльності. Бажано, щоб учні висували багато гіпотез, але планувати подальші кроки дослідження рекомендується на основі однієї гіпотези, якій учні віддадуть перевагу. Планування досліджень по іншим гіпотезам можна рекомендувати як домашнє завдання або завдання для поглибленого вивчення курсу (диференціація).

5. З наукової літератури необхідно отримати наступну інформацію: Які гени і як інтенсивно працюють, які гени включаються тільки в певний період, які працюють постійно. Порівняти інформацію з різних наукових джерел, сформулювати протиріччя у вигляді проблемних питань.

6. Експерименти припускають визначення синтезованих білків в ізольованих тканинах тіла людини, при цьому бажано вибирати різні тканини для подальшого порівняння. Необхідно визначити, які білки будуть синтезуватися. Крім того, зразки тканин необхідно взяти у людей різного віку для оцінки вікових змін в експресії генів.

7. У висновках повинні бути приведені узагальнення за результатами кожного етапу роботи (завдання), порівняння результатів експериментів і теоретичної моделі, оцінка відповідності отриманих результатів гіпотезі і формулювання перспектив подальших досліджень.

Зробимо деякі висновки з цієї частини лекції. У 6-7-х класах починається початкове навчання учнів технології дослідження. Підготовка карток-анотацій, енциклопедичних довідок, доповідей, рефератів планується вчителем виходячи з особливостей змісту тим і наявності додаткової літератури. Аналітичні огляди рекомендується виконувати в середній школі. Практичні і лабораторні роботи, досліди і вимірювання в класі і вдома дозволяють опанувати елементарними навичками практики досліджень.

Починаючи з 8-го класу бажано включати завдання на планування біологічних досліджень. Спочатку - як узагальнюючі роботи по двом-трьом темам, щоб учні мали можливість вибору. Для цього учням пропонується кілька тем. У 10-11-х класах такі завдання бажано включати в зміст кожної теми як на уроках, так і для домашнього виконання.

Освоєння учнями планування наукових досліджень дозволяє окремим учням з часом перейти до реальних наукових досліджень. Цей вибір роблять самі учні, і, найчастіше, він відноситься до досліджень з екологічної та природоохоронної тематиками, а також до проблем способу життя дітей і дорослих і його впливу на їхнє здоров'я. Останні роботи виконуються за допомогою анкетування, тестування та інших соціометричних методів.

Запитання і завдання

1. Запропонуйте теми і складіть опис методик проведення дискусій з учнями за специфічними особливостями наукових досліджень.

2. Чи правильне твердження, що в суперечці народжується істина? Деякі вчені заявляють, що в суперечці не істина народжується, а лише позначаються суперечності для пошуку істини. Кому вірити? Чому?

3. Молодий і амбітний вчений твердо визначив, що до 30 років він просто зобов'язаний отримати Нобелівську премію за відкриття, яке він обов'язково зробить. Чи можна заздалегідь спланувати таке відкриття? Чи не підкажете секрет планування?

4. Складіть план дослідження впливу вегетаріанського харчування на стан здоров'я людини.

5. Складіть методику навчання учнів планування досліджень на прикладі складання плану дослідження проблеми впливу безперервної самоосвіти на тривалість життя людини.

Література для додаткового читання

1. Альтшуллер Г.С. Знайти ідею.- Новосибірськ: Наука, 1986. - 209 с.

2. Бабанський Ю.К. Інтенсифікація процесу навчання // Біологія в школі. - 1987.- №1. - С. 3-6.

3. Кларін М.В. Інновації у світовій педагогіці: навчання на основі дослідження, ігри та дискусії. (Аналіз зарубіжного досвіду.) - Рига, НВЦ «Експеримент», 1995. - 176 с.

експеримент- метод дослідження в біології, при якому експериментатор свідомо змінює умови і спостерігає, як вони впливають на живі організми. Експеримент можна проводити як в лабораторії, так і на відкритому повітрі.

У практичній мікробіології використовують для діагностики інфекційних хвороб, виділення та ідентифікації чистої к-ри збудника, індикації та ідентифікації екзотоксинів. Крім того, його широко застосовують в експериментальній мікробіології і імунології, а також для контролю імунопрепаратів.

Експериментальний метод має високу чутливість. У випадках виділення чистої к-ри і встановлення іммуноліческіх зрушень у тварини експериментальний метод високо специфічний і може бути використаний на ранніх етапах хвороби. Недоліками експериментального методу є трудомісткість, дорожнеча, тривалість дослідження, небезпека лабораторного зараження. Тому його використовують в тих випадках, якщо інші методи неефективні і якщо є необхідні умови для утримання лабораторних тварин.

Застосування експериментального методу в біології пов'язують з ім'ям Вільяма Гарвея, який використовував його в своїх дослідженнях при вивченні кровообігу. Але широко застосовуватися в біології він почав лише з початку XIX ст., Перш за все при вивченні фізіологічних процесів. Експериментальний метод дозволяє вивчати те чи інше явище життя за допомогою досвіду. Великий внесок в утвердження експериментального методу в біології вніс Г.Мендель, який, вивчаючи спадковість і мінливість організмів, вперше використав експеримент не тільки для отримання даних про досліджуваних явищах, а й для перевірки гіпотези, формульованій на підставі отриманих результатів. Робота Г Менделя стала класичним зразком методології експериментальної науки.

У XX ст. експериментальний метод став провідним в біології. Це стало можливим завдяки появі нових приладів для біологічних досліджень (електронний мікроскоп, томограф та ін.) І використання методів фізики і хімії в біології.

В даний час в біологічному експерименті широко використовують різні види мікроскопії, включаючи і електронну з технікою ультратонких зрізів, біохімічні методи, різноманітні способи культивування і прижиттєвого спостереження культур клітин, тканин і органів, метод мічених атомів, рентгеноструктурний аналіз, ультрацентрифугирование, хроматографію і т.д . Не випадково в другій половині XX ст. в біології розвинулося ціле напрямок - створення новітніх приладів і розробка методів дослідження.

У біологічних дослідженнях все ширше застосовують моделювання, яке вважають вищою формою експерименту. Так, ведуться активні роботи з комп'ютерного моделювання найважливіших біологічних процесів, основних напрямків еволюції, розвитку екосистем або навіть всієї біосфери (наприклад, в разі глобальних кліматичних або техногенних змін).

Експериментальний метод в поєднанні з системно-структурним підходом докорінно перетворив біологію, розширив її пізнавальні можливості та відкрив нові шляхи для використання біологічних знань у всіх сферах людської діяльності.

Поточна сторінка: 1 (всього у книги 27 сторінок) [доступний уривок для читання: 18 сторінок]

A. А. Каменський, Є. А. Кріксунов, B. В. Пасічник
Біологія. Загальна біологія 10-11 класи

Умовні позначення:

- завдання, спрямовані на розвиток умінь працювати з інформацією, представленою в різних видах;

- завдання, спрямовані на розвиток комунікативних умінь;

- завдання, спрямовані на розвиток загальних розумових умінь і навичок, здатності самостійно планувати шляхи вирішення конкретних завдань.

Вступ

Ви починаєте вивчення шкільного курсу «Загальна біологія». Це умовна назва частини шкільного курсу біології, завдання якого - вивчення загальних властивостей живого, законів його існування і розвитку. Відображаючи живу природу і людину як її частина, біологія набуває все більшого значення в науково-технічному прогресі, стаючи продуктивною силою. Біологія створює нову технологію - біологічну, яка повинна стати основою нового індустріального суспільства. Біологічні знання повинні сприяти формуванню біологічного мислення та екологічної культури у кожного члена суспільства, без чого подальший розвиток людської цивілізації неможливо.

§ 1. коротка історія розвитку біології

1. Що вивчає біологія?

2. Які біологічні науки вам відомі?

3. Яких вчених-біологів ви знаєте?

Біологія як наука. Ви добре знаєте, що біологія - це наука про життя. В даний час вона представляє сукупність наук про живу природу. Біологія вивчає всі прояви життя: будова, функції, розвиток і походження живих організмів, їх взаємини в природних співтовариствах з місцем існування і з іншими живими організмами.

З тих пір як людина стала усвідомлювати свою відмінність від тваринного світу, він почав вивчати навколишній світ. Спочатку від цього залежало її життя. Первісним людям необхідно було знати, які живі організми можна вживати в їжу, використовувати в якості ліків, для виготовлення одягу і жител, а які з них отруйні або небезпечні.

З розвитком цивілізації людина змогла дозволити собі таку розкіш, як заняття наукою в пізнавальних цілях.

Дослідження культури древніх народів показали, що вони мали великі знання про рослини, тварин і широко їх застосовували в повсякденному житті.

Чарлз Дарвін (1809-1882)

Сучасна біологія - комплексна наука, для якої характерно взаємопроникнення ідей і методів різних біологічних дисциплін, а також інших наук - перш за все фізики, хімії та математики.

Основні напрямки розвитку сучасної біології. В даний час умовно можна виділити три напрямки в біології.

По-перше, це класична біологія. Її представляють вчені-натуралісти, які вивчають різноманіття живої природи. Вони об'єктивно спостерігають і аналізують все, що відбувається в живій природі, вивчають живі організми і класифікують їх. Неправильно думати, що в класичній біології все відкриття вже зроблені. У другій половині XX в. не тільки описано багато нових видів, а й відкриті великі таксони, аж до царств (Погонофори) і навіть надцарству (Архебактерії, або Археї). Ці відкриття змусили вчених по-новому поглянути на всю історію розвитку живої природи. Для справжніх вчених-натуралістів природа - це самоцінність. Кожен куточок нашої планети для них унікальний. Саме тому вони завжди серед тих, хто гостро відчуває небезпеку для навколишнього нас природи і активно виступає на її захист.

Другий напрямок - це еволюційна біологія. У XIX ст. автор теорії природного відбору Чарлз Дарвін починав як звичайний натураліст: він колекціонував, спостерігав, описував, подорожував, розкриваючи таємниці живої природи. Однак основним результатом його роботи, які зробили його відомим вченим, стала теорія, що пояснює органічне різноманітність.

В даний час вивчення еволюції живих організмів активно триває. Синтез генетики та еволюційної теорії привів до створення так званої синтетичної теорії еволюції. Але і зараз ще є багато невирішених питань, відповіді на які шукають вчені-еволюціоністи.

Створена на початку XX ст. нашим видатним біологом Олександром Івановичем Опаріним перша наукова теорія походження життя була суто теоретичною. В даний час активно ведуться експериментальні дослідження даної проблеми і завдяки застосуванню передових фізико-хімічних методів вже зроблені важливі відкриття і можна очікувати нових цікавих результатів.

Олександр Іванович Опарін (1894-1980)

Нові відкриття дозволили доповнити теорію антропогенезу. Але перехід від тваринного світу до людини і зараз ще залишається однією з найбільших загадок біології.

Третій напрям - фізико-хімічна біологія, досліджує будову живих об'єктів за допомогою сучасних фізичних і хімічних методів. Це швидко розвивається напрямок біології, важливе як в теоретичному, так і в практичному відношенні. Можна з упевненістю говорити, що в фізико-хімічної біології нас чекають нові відкриття, які дозволять вирішити багато проблем, що стоять перед людством.

Розвиток біології як науки. Сучасна біологія йде корінням в старовину і пов'язана з розвитком цивілізації в країнах Середземномор'я. Нам відомі імена багатьох видатних вчених, які внесли вклад в розвиток біології. Назвемо лише деяких з них.

Гіппократ (460 - ок. 370 до н. Е.) Дав перше щодо докладний опис будови людини і тварин, вказав на роль середовища і спадковості у виникненні хвороб. Його вважають основоположником медицини.

Аристотель (384-322 до н. Е.) Ділив навколишній світ на чотири царства: неживий світ землі, води і повітря; світ рослин; світ тварин і світ людини. Він описав багатьох тварин, поклав початок систематики. У написаних ним чотирьох біологічних трактатах містилися практично всі відомі на той час відомості про тварин. Заслуги Аристотеля настільки великі, що його вважають основоположником зоології.

Теофраст (372-287 до н. Е.) Вивчав рослини. Їм описано понад 500 видів рослин, дані відомості про будову і розмноженні багатьох з них, введені у вжиток багато ботанічні терміни. Його вважають основоположником ботаніки.

Гай Пліній Старший (23-79) зібрав відомі на той час відомості про живі організми і написав 37 томів енциклопедії «Природна історія». Майже до Середньовіччя ця енциклопедія була головним джерелом знань про природу.

Клавдій Гален у своїх наукових дослідженнях широко використовував розтину ссавців. Він першим зробив порівняльно-анатомічний опис людини і мавпи. Вивчав центральну і периферичну нервову систему. Історики науки вважають його останнім великим біологом давнини.

Клавдій Гален (ок. 130 - ок. 200)

В середні віки пануючою ідеологією була релігія. Подібно до інших наук, біологія в цей період ще не виділилася в самостійну область і існувала в загальному руслі релігійно-філософських поглядів. І хоча накопичення знань про живі організми тривало, про біології як науки в той період можна говорити лише умовно.

Епоха Відродження є перехідною від культури Середніх віків до культури Нового часу. Корінні соціально-економічні перетворення того часу супроводжувалися новими відкриттями в науці.

Найвідоміший учений тієї епохи Леонардо Да Вінчі (1452-1519) вніс певний внесок і в розвиток біології.

Він вивчав політ птахів, описав багато рослин, способи з'єднання кісток в суглобах, діяльність серця і зорову функцію ока, схожість кісток людини і тварин.

У другій половині XV ст. природничо-наукові знання починають швидко розвиватися. Цьому сприяли географічні відкриття, що дозволили істотно розширити відомості про тварин і рослини. Швидке накопичення наукових знань про живі організми вело до поділу біології на окремі науки.

У XVI-XVII ст. стали стрімко розвиватися ботаніка і зоологія.

Винахід мікроскопа (початок XVII ст.) Дозволило вивчати мікроскопічну будову рослин і тварин. Були відкриті невидимі неозброєним оком мікроскопічно малі живі організми - бактерії та найпростіші.

Великий внесок у розвиток біології вніс Карл Лінней, запропонував систему класифікації тварин і рослин.

Карл Максимович Бер (1792-1876) в своїх роботах сформулював основні положення теорії гомологічних органів і закону зародкової схожості, що заклали наукові основи ембріології.

Карл Лінней (1707-1778)

Жан Батіст Ламарк (1774-1829)

У 1808 р в роботі «Філософія зоології» Жан Батіст Ламарк поставив питання про причини і механізми еволюційних перетворень і виклав першу за часом теорію еволюції.

Величезну роль у розвитку біології зіграла клітинна теорія, яка науково довела єдність живого світу і стала однією з передумов виникнення теорії еволюції Чарльза Дарвіна. Авторами клітинної теорії вважають зоолога Теодора Шванна (1818-1882) і ботаніка Маттіаса Якоба Шлейдена (1804–1881).

На основі численних спостережень Ч. Дарвін опублікував в 1859 р свою основну працю «Про походження видів шляхом природного відбору, або Збереженні обраних порід в боротьбі за життя», в якому сформулював основні положення теорії еволюції, запропонував механізми еволюції і шляхи еволюційних перетворень організмів.

У XIX ст. завдяки роботам Луї Пастера (1822–1895), Роберта Коха (1843–1910), Іллі Ілліча Мечникова в якості самостійної науки оформилася мікробіологія.

XX століття почався з перевідкриття законів Грегора Менделя, що ознаменувало собою початок розвитку генетики як науки.

У 40-50-ті роки XX ст. в біології стали широко використовуватися ідеї і методи фізики, хімії, математики, кібернетики та інших наук, а в якості об'єктів дослідження - мікроорганізми. В результаті виникли і стали бурхливо розвиватися як самостійні науки біофізика, біохімія, молекулярна біологія, радіаційна біологія, біоніка та ін. Дослідження в космосі сприяли зародженню і розвитку космічної біології.

У XX ст. з'явився напрям прикладних досліджень - біотехнологія. Цей напрямок, безсумнівно, буде стрімко розвиватися і в XXI ст. Більш докладно про цей напрямок розвитку біології ви дізнаєтеся при вивченні розділу «Основи селекції та біотехнології».

Ілля Ілліч Мечников (1845-1916)

Грегор Мендель (1822-1884)

В даний час біологічні знання використовуються у всіх сферах людської діяльності: в промисловості та сільському господарстві, Медицині та енергетиці.

Надзвичайно важливе значення мають екологічні дослідження. Ми, нарешті, стали усвідомлювати, що крихка рівновага, що існує на нашій маленькій планеті, легко зруйнувати. Перед людством постала грандіозне завдання - збереження біосфери з метою підтримки умов існування і розвитку цивілізації. Без біологічних знань і спеціальних досліджень розв'язати цю проблему неможливо. Таким чином, в даний час біологія стала реальною продуктивною силою і раціональної науковою основою відносин між людиною і природою.

Класична біологія. Еволюційна біологія. Фізико-хімічна біологія.

1. Які напрямки в розвитку біології ви можете виділити?

2. Які великі вчені давнини внесли помітний вклад у розвиток біологічних знань?

3. Чому в середні віки про біології як науки можна було говорити лише умовно?

4. Чому сучасну біологію вважають комплексною наукою?

5. Яка роль біології в сучасному суспільстві?

Підготуйте повідомлення на одну з наступних тем:

1. Роль біології в сучасному суспільстві.

2. Роль біології в космічних дослідженнях.

3. Роль біологічних досліджень в сучасній медицині.

4. Роль видатних біологів - наших співвітчизників в розвитку світової біології.

Наскільки змінилися погляди вчених на різноманітність живого, можна продемонструвати на прикладі поділу живих організмів на царства.

Ще в 40-і роки XX століття всі живі організми ділилися на два царства: Рослини і тварини. У царство рослин включалися також бактерії і гриби. Пізніше більш детальне вивчення організмів призвело до виділення чотирьох царств: Прокаріоти (Бактерії), Гриби, Рослини і тварини. Дана система приводиться в шкільній біології.

У 1959 р було запропоновано ділити світ живих організмів на п'ять царств: Прокаріоти, Найпростіші (Найпростіші), Гриби, Рослини і тварини.

Дана система часто наводиться в біологічній (особливо перекладної) літературі.

Розроблено і продовжують розроблятися й інші системи, що включають 20 і більше царств. Наприклад, запропоновано виділити три надцарства: Прокаріоти, Археї (Архебактерії) і Еукаріоти. Кожне надцарство включає кілька царств.

§ 2. Методи дослідження в біології

1. Чим наука відрізняється від релігії і мистецтва?

2. Яка основна мета науки?

3. Які методи дослідження, застосовувані в біології, ви знаєте?

Наука як сфера людської діяльності. Наука - одна зі сфер людської діяльності, мета якої - вивчення і пізнання навколишнього світу. Для наукового пізнання необхідний вибір певних об'єктів дослідження, проблем і методів їх вивчення. Кожна наука має свої методи дослідження. Однак незалежно від того, які методи використовуються, для кожного вченого найважливішим завжди залишається принцип: «Нічого не приймай на віру». Головне завдання науки - побудова системи достовірного знання, заснованого на фактах і узагальненнях, які можна підтвердити або спростувати. Наукові знання постійно беруться під сумнів і приймаються лише при достатніх доказах. науковим фактом (Грец. Factum - зроблене) є лише той, який можна відтворити і підтвердити.

науковий метод (Грец. Methodos - шлях дослідження) - це сукупність прийомів і операцій, які використовуються при побудові системи наукових знань.

Вся історія розвитку біології наочно свідчить про те, що вона визначалася розробкою і застосуванням нових методів дослідження. Основними методами дослідження, що застосовуються в біологічних науках, є описовий, порівняльний, історичний і експериментальний.

Описовий метод. Він широко застосовувався ще вченими давнину, які займалися збором фактичного матеріалу і його описом. В основі його лежить спостереження. Практично до XVIII в. біологи в основному займалися описом тварин і рослин, робили спроби первинної систематизації накопиченого матеріалу. Але описовий метод не втратив свого значення і сьогодні. Наприклад, він використовується при відкритті нових видів або вивченні клітин за допомогою сучасних методів дослідження.

Порівняльний метод. Він дозволив виявляти подібності та відмінності між організмами і їх частинами та почали застосовувати в XVII в. Використання порівняльного методу дозволило отримати дані, необхідні для систематизації рослин і тварин. У XIX ст. він був використаний при розробці клітинної теорії і обгрунтуванні теорії еволюції, а також у розбудові ряду біологічних наук на основі цієї теорії. У наш час порівняльний метод також широко застосовується в різних біологічних науках. Однак якби в біології використовувалися лише описовий та порівняльний методи, то вона так і залишилася б в рамках констатуючій науки.

Історичний метод. Цей метод допомагає осмислити отримані факти, зіставити їх з раніше відомими результатами. Він став широко застосовуватися в другій половині XIX ст. завдяки роботам Ч. Дарвіна, який з його допомогою науково обґрунтував закономірності появи і розвитку організмів, становлення їх структур і функцій у часі і просторі. Застосування історичного методу дозволило перетворити біологію з науки описової в науку, що пояснює, як відбулися і як функціонують різноманітні живі системи.

Експериментальний метод. Застосування експериментального методу в біології пов'язують з ім'ям Вільяма Гарвея, який використовував його в своїх дослідженнях при вивченні кровообігу. Але широко застосовуватися в біології він почав лише з початку XIX ст., Перш за все при вивченні фізіологічних процесів. Експериментальний метод дозволяє вивчати те чи інше явище життя за допомогою досвіду.

Великий внесок в утвердження експериментального методу в біології вніс Г. Мендель, який, вивчаючи спадковість і мінливість організмів, вперше використав експеримент не тільки для отримання даних про досліджуваних явищах, а й для перевірки гіпотези, формульованій на підставі отриманих результатів. Робота Г. Менделя стала класичним зразком методології експериментальної науки.

Вільям Гарвей (1578-1657)

У XX ст. експериментальний метод став провідним в біології. Це стало можливим завдяки появі нових приладів для біологічних досліджень (електронний мікроскоп, томограф та ін.) І використання методів фізики і хімії в біології.

В даний час в біологічному експерименті широко використовують різні види мікроскопії, включаючи і електронну з технікою ультратонких зрізів, біохімічні методи, різноманітні способи культивування і прижиттєвого спостереження культур клітин, тканин і органів, метод мічених атомів, рентгеноструктурний аналіз, ультрацентрифугирование, хроматографію і т. Д . Не випадково в другій половині XX ст. в біології розвинулося ціле напрямок - створення новітніх приладів і розробка методів дослідження.

У біологічних дослідженнях все ширше застосовують моделювання, яке вважають вищою формою експерименту. Так, ведуться активні роботи з комп'ютерного моделювання найважливіших біологічних процесів, основних напрямків еволюції, розвитку екосистем або навіть всієї біосфери (наприклад, в разі глобальних кліматичних або техногенних змін).

Експериментальний метод в поєднанні з системно-структурним підходом докорінно перетворив біологію, розширив її пізнавальні можливості та відкрив нові шляхи для використання біологічних знань у всіх сферах людської діяльності.

Науковий факт. Науковий метод. Методи дослідження: описовий, порівняльний, історичний, експериментальний.

1. У чому полягають основна мета і завдання науки?

2. Чому можна стверджувати, що розвиток біології визначалося розробкою і застосуванням нових наукових методів дослідження?

3. Яке значення мали описовий та порівняльний методи для розвитку біології?

4. У чому сутність історичного методу?

5. Чому експериментальний метод набув найбільшого поширення в XX в.?

Запропонуйте методи дослідження, які ви будете застосовувати при вивченні антропогенного впливу на будь-яку екосистему (водойма, ліс, парк і т. Д.).

Запропонуйте кілька своїх варіантів шляхів розвитку біології в XXI ст.

Які хвороби, на вашу думку, будуть переможені людством за допомогою методів молекулярної біології, імунології, генетики в першу чергу.

Наукове дослідження, як правило, складається з декількох етапів (рис. 1). На підставі збору фактів формулюється проблема. Для її вирішення висуваються гіпотези (Від грец. Hypothesis - припущення). Кожна гіпотеза перевіряється експериментально в ході отримання нових фактів. Якщо отримані факти суперечать гіпотезі, то вона відкидається. Якщо гіпотеза узгоджується з фактами і дозволяє робити вірні прогнози, то вона може стати теорією (Від грец. Theoria - дослідження). Однак навіть вірна теорія в міру накопичення нових фактів може переглядатися і уточнюватися. Наочним прикладом служить теорія еволюції.

Деякі теорії полягають у встановленні зв'язку між різними явищами. це правила і закони.

З правил можливі виключення, а закони діють завжди. Наприклад, закон збереження енергії справедливий як для живої, так і неживої природи.

Мал. 1. Основні етапи наукового дослідження

Вивчивши малюнок 1, запропонуйте план проведення свого невеликого біологічного дослідження.

§ 3. Сутність життя та властивості живого

1. Що таке життя?

2. Що вважають структурно-функціональною одиницею живого?

3. Які властивості живого вам відомі?

Сутність життя. Ви вже знаєте, що біологія - це наука про життя. Але що таке життя?

Класичне визначення німецького філософа Фрідріха Енгельса: «Життя є спосіб існування білкових тіл, істотним моментом якого є постійний обмін речовин з навколишнім їх зовнішньою природою, причому з припиненням цього обміну речовин припиняється і життя, що призводить до розкладання білка» - відображає рівень біологічних знань другий половини XIX в.

У XX ст. робилися численні спроби дати визначення життя, що відображають всю багатогранність даного процесу.

Всі визначення містили такі постулати, що відображають сутність життя:

- життя є особлива форма руху матерії;

- життя є обмін речовин і енергії в організмі;

- життя є життєдіяльність в організмі;

- життя є самовідтворення організмів, яке забезпечується передачею генетичної інформації від покоління до покоління.

Життя є формою руху матерії вищу в порівнянні з фізичною і хімічної формами її існування.

У найзагальнішому сенсі життя можна визначити як активне, що йде з витратою енергії, отриманої ззовні, підтримку і самовідтворення специфічних структур, що складаються з біополімерів - білків і нуклеїнових кислот.

Ні нуклеїнові кислоти, ні білки окремо не є субстратом життя. Вони стають субстратом життя лише тоді, коли знаходяться і функціонують в клітинах. Поза клітин - це хімічні сполуки.

За визначенням вітчизняного біолога В. М. Волькенштейна, «живі тіла, що існують на Землі, являють собою відкриті саморегульовані і самовідтворюються системи, побудовані з біополімерів - білків і нуклеїнових кислот».

Властивості живого. Для живого характерний ряд загальних властивостей. Перерахуємо їх.

1. Єдність хімічного складу. Живі істоти утворені тими ж хімічними елементами, що і неживі об'єкти, але в живих істотах 90% маси доводиться на чотири елементи: С, О, N, Н, які беруть участь в утворенні складних органічних молекул, таких, як білки, нуклеїнові кислоти, вуглеводи , ліпіди.

2. Єдність структурної організації. Клітка є єдиною структурно-функціональною одиницею, а також одиницею розвитку майже для всіх живих організмів на Землі. Винятком є \u200b\u200bвіруси, а й у них властивості живого виявляються, лише коли вони знаходяться в клітці. Поза клітини життю немає.

3. Відкритість. Всі живі організми являють собою відкриті системи, т. е. системи, стійкі лише за умови безперервного надходження в них енергії і речовини з довкілля.

4. Обмін речовин і енергії. Всі живі організми здатні до обміну речовин з навколишнім середовищем. Обмін речовин здійснюється в результаті двох взаємопов'язаних процесів: синтезу органічних речовин в організмі (за рахунок зовнішніх джерел енергії - світла і їжі) і процесу розпаду складних органічних речовин з виділенням енергії, яка потім витрачається організмом.

Обмін речовин забезпечує сталість хімічного складу в безупинно мінливих умовах навколишнього середовища.

5. Самовідтворення (репродукція). Здатність до самовідтворення є найважливішим властивістю всіх живих організмів. В її основі лежить інформація про будову і функції будь-якого живого організму, закладена в нуклеїнових кислотах і забезпечує специфічність структури і життєдіяльності живого.

6. Саморегуляція. Будь-який живий організм піддається впливу безупинно мінливих умов навколишнього середовища. У той же час для протікання процесів життєдіяльності в клітинах необхідні певні умови. Завдяки механізмам саморегуляції зберігається відносна сталість внутрішнього середовища організму, т. Е. Підтримується сталість хімічного складу і інтенсивність перебігу фізіологічних процесів, іншими словами, підтримується гомеостаз (від грец. Homoios - однаковий і stasis - стан).

7. Розвиток і зростання. У процесі індивідуального розвитку (онтогенезу) поступово і послідовно проявляються індивідуальні властивості організму і здійснюється його зростання. Крім того, всі живі системи еволюціонують - змінюються в ході історичного розвитку (філогенезу).

8. Подразливість. Будь-який живий організм здатний вибірково реагувати на зовнішні та внутрішні впливи.

9. Спадковість і мінливість. Наступність поколінь забезпечується спадковістю. Нащадки не є копіями своїх батьків через здатність спадкової інформації до змін - мінливості.

Окремі властивості, перераховані вище, можуть бути притаманні і неживій природі. Наприклад, кристали в насиченому розчині солі можуть «рости». Однак це зростання не має тих якісних і кількісних параметрів, які притаманні зростання живого.

Для запаленої свічки теж характерні процеси обміну речовин і перетворення енергії, але вона не здатна до саморегуляції і самовідтворення.

Отже, всі перераховані вище властивості в своїй сукупності характерні тільки для живих організмів.

Життя. Відкрита система.

1. Чому дуже складно дати визначення поняття «життя»?

2. У чому відмінність хімічної організації живих організмів від об'єктів неживої природи?

3. Чому живі організми називаються відкритими системами?

4. Чим принципово відрізняються процеси обміну у живих організмів і в неживій природі?

5. Яка роль мінливості і спадковості у розвитку життя на нашій планеті?

Порівняйте сутність процесів росту, розмноження і обміну речовин в неживій природі і у живих організмів.

Наведіть приклади властивостей, характерних для живого організму, які можна спостерігати і у неживих об'єктів.

організм (Від лат. Organizo - влаштовую) - це особина, індивід (від лат. Individuus - неподільний), самостійно взаємодіє із середовищем свого проживання. Термін «організм» легко зрозуміти, але майже неможливо однозначно визначити. Організм може складатися з однієї клітини і може бути багатоклітинних. Різні колоніальні організми можуть складатися з однорідних організмів, наприклад вольвокс, або являти собою комплекс високодиференційованих особин, що становлять єдине ціле, наприклад португальський кораблик - колоніальне Кишковопорожнинні тварина. Іноді навіть відокремлені один від одного особини утворюють групи, що відрізняються певними індивідуальними властивостями, наприклад у бджіл, як і у інших соціальних комах, сім'я має ряд властивостей організму.

Процес наукового пізнання прийнято поділяти на дві стадії: емпіричну і теоретичну.

На емпіричної стадії використовуються наступні методи.

Описовий та порівняльний методи , В їх основі лежить спостереження. спостереження - вивчення об'єктів живої природи в природних умовах.Це - безпосереднє спостереження (в буквальному сенсі) за поведінкою, розселенням, розмноженням тварин і рослин в природі, візуальне або інструментальне визначення характеристик організмів, їх клітин, органів і тканин. Для цих цілей в сучасній біології застосовують як традиційні засоби польових досліджень - від бінокля до глибоководних апаратів, так і складне лабораторне обладнання - мікроскопи, спектрофотометри, ультрацентрифуги і т.д.

експериментальний метод заснований на дослідженні живих об'єктів при екстремальному впливі факторів середовища - зміненої температури, освітленості або вологості, підвищеного навантаження, токсичності або радіоактивності, зміні місця розвитку (видалення або пересадка генів, клітин, органів, космічні польоти і т.п.). Експериментальний метод дозволяє виявити приховані властивості, межі пристосувальних можливостей живих систем, ступінь їх гнучкості, надійності, мінливості.

історичний метод виявляє історію розвитку біологічних об'єктів, їх походження. Зіставляють анатомічна будова, хімічний склад, структуру генів і інші ознаки у організмів різного рівня складності. При цьому досліджуються не тільки нині живуть організми, а й давно вимерлі, що збереглися у вигляді скам'янілих залишків.

Відносно новий метод - моделювання біологічних процесів , як на рівні організмів, клітин або біомолекул, так і математичне моделювання. Наприклад, можна побудувати модель і прогноз стану життя у водоймі через енну час при зміні одного, двох або більше параметрів (температури, концентрації солей, наявності хижаків та ін.).

Системний метод (підхід) також є новим . Живі об'єкти розглядаються як системи , Тобто сукупності елементів з певними взаємозв'язками. Кожен об'єкт розглядається одночасно і як система, і як елемент системи вищого порядку.

на теоретичної стадії пізнання використовуються такі методи: узагальнення накопичених фактів , висування нових гіпотез , їх повторна емпірична перевірка (Нові спостереження, експерименти, порівняння, моделювання). Підтверджені гіпотези стають законами , З них складаються теорії . Зрозуміло, що і закони, і теорії носять відносний характер і рано чи пізно можуть бути переглянуті.

3. Основні концепції біології

концепція - це взаємопов'язана група понять, гіпотез, теорій, що пояснюють якусь фундаментальне явище або властивість природи. Основнібіологічні концепції пояснюють феномен і властивостіжиття .

1. Концепція системної багаторівневої організації життя : Всі живі об'єкти є системами різного рівня складності, вони утворюють безперервну ієрархію рівнів структурно-функціональної організації.

2. Концепція матеріальної суті життя : Життя матеріальна, її фізико-хімічну основу складає обмін речовин і енергії. У філософському сенсі це означає первинність матерії та вторинність свідомості (матеріалізм).

Матерія - сукупність речовини і поля. Речовина має масу спокою, а поле - ні. Жива матеріяособливо складна речовина і складне багатофакторне поле. Самерівень складності робить матерію живий, хоча всередині неї діють прості фізичні і хімічні закони.

3. Концепція біологічної інформації і самовідтворення життя : Живі організми відтворюються на основі власної (генетичної) інформації при взаємодії із зовнішнім (епігенетичної) інформацією. Результатом цієї взаємодії є індивідуальний розвиток організмів (онтогенез).

4. Концепція саморегуляції живих систем : Живі системи підтримують відносну сталість своїх внутрішніх зв'язків і умов функціонування (гомеостаз) на основі поєднання прямих позитивних і зворотних негативних зв'язків.

5. Концепція самоорганізації і біологічної еволюції : Живий світ виник в результаті самоорганізації з неживих хімічних систем і зазнає незворотне історичний розвиток (філогенез) на основі спадкової мінливості і природного відбору організмів, найбільш пристосованих до мінливих умов середовища.

Методи біологічних досліджень в біології поділяють на емпіричні (Від грец. Емпірією - досвід) - описовий, порівняльний, експериментальний, історичний, і теоретичні - статистичний і моделювання. Описовий та порівняльний методи засновані на спостереженні.

Описовий метод біологічних досліджень

описовий метод - найдавніший, пов'язаний зі спостереженням і описом об'єктів або явищ, визначенням їх властивостей.

Порівняльний метод біологічних досліджень

Порівняльний метод біологічних досліджень. Порівняння будови тваринної і рослинної клітин

порівняльний метод заснований, щоб порівняти отримані спостереження, опису з іншими.

В останнім часом часто застосовують моніторинг (від лат. mоnitor -Попереджає, що нагадує). Це постійне спостереження за ходом певних процесів в окремих екосистемах, біосфері в цілому або за станом конкретних біологічних об'єктів. Здійснюють його на вищих рівнях організації живої матерії. Моніторинг дозволяє прогнозувати і аналізувати можливі зміни, їх наслідки. Наприклад, зміни рослинності в зв'язку з кислотними дощами і т. П.

Експериментальний метод біологічних досліджень

Експериментальний метод біологічних досліджень

експериментальний (Від лат. Ехреrimentum - досвід, практика) метод полягає в зміні дослідником умов існування об'єкта досвіду, його будови і спостереження за результатами змін. Експерименти бувають польові та лабораторні.

У природних умовах проводять польові експерименти. Лабораторні експерименти проводять у спеціально обладнаних лабораторіях. У лабораторних умовах використовують мікроскопи, ядерно-магнітний резонанс, рентгенологічний метод і т. П.

Історичний метод біологічних досліджень

Історичний метод біологічних досліджень

історичний метод дозволяє виявити закономірності виникнення і розвитку живих істот.

Моделювання та статистичний метод неможливі без застосування електронно-обчислювальної техніки.

Моделювання біологічних досліджень

Моделювання біологічних досліджень

моделювання (Від лат. Modulus - пристрій, зразок) - метод, який дозволяє працювати не з самими об'єктами, а вивчає уявлення про них або їх моделі. Моделювання дозволяє вивчати об'єкти і процеси, які неможливо безпосередньо спостерігати або відтворити експериментально. Різновидом цього методу є математичне моделювання. Це чисельне вираження у вигляді рівнянь парних зв'язків. При змінах числових значень можна побачити, як працює система при певних умов. прикладом математичної моделі можуть бути співвідношення чисельності в системі «хижак-жертва».

Статистичний метод біологічних досліджень

Статистичний метод біологічних досліджень

Статистичний (Математичний) метод застосовується для обробки числових даних, отриманих за допомогою інших методів (емпіричних). Використовують також для перевірки ступеня достовірності отриманих результатів.