Новые возможности при организации исследовательской деятельности по биологии

В данной статье представлен опыт работы по проведению экспериментальной деятельности при формировании исследовательской компетенции учащихся, сборе и обработке информации, реализации основных дидактических принципов – наглядности, доступности, связи теории с практикой и научности.

Ускорение темпов обновления информационных технологий приводит к необходимости разработки адекватного содержания образования и соответствующих методов обучения. В условиях стремительного развития и расширения доступности открытых информационных сетей классическая схема передачи «готовых» знаний перестает быть главной задачей учебного процесса, снижается функциональная значимость и привлекательность традиционных методов обучения, что приводит к необходимости освоения новых педагогических средств и методов.

В связи с этим приоритетным направлением становится обеспечение развивающего потенциала новых образовательных стандартов. Отличительной особенностью нового стандарта является его системно-деятельностный подход, ставящий главной целью развитие личности учащегося. Система образования отказывается от традиционного представления результатов обучения в виде знаний, умений и навыков, формулировки стандарта указывают реальные виды деятельности, которыми учащийся должен овладеть в результате обучения. Процесс обучения должен задавать содержание и характеристики учебной деятельности обучающегося и тем самым определять зону ближайшего развития универсальных учебных действий. В широком значении термин «универсальные учебные действия» означает умение учиться, то есть способность субъекта к саморазвитию и самосовершенствованию путем сознательного и активного присвоения нового социального опыта. Существенное место в преподавании школьных дисциплин должны занять метапредметные учебные действия, под которыми понимаются умственные действия учащихся, направленные на анализ и управление своей познавательной деятельностью.

Новые требования образования диктуют условия для создания современной образовательной среды, которая должна быть оснащена современным школьным оборудованием.

Такое оборудование есть, важно определить его возможности в достижении конечных целей обучения, заложенных в образовательных стандартах.

Главным является не просто оснащение школьных кабинетов оборудованием, необходимо с помощью этого оборудования обеспечить преемственность в обучении на всех этапах образования. Именно такими возможностями обладает инновационное оборудование AFS™, разрабатываемое производственно-консультационной группой «Развитие образовательных систем». В состав комплекта AFS™ для экспериментальной деятельности входят датчики Vernier, с помощью которых возможно производить измерение и регистрацию различных параметров, а также программное обеспечение (ПО), позволяющее визуализировать все полученные данные.

Выдвигать и проверять гипотезы, делать обобщения, устанавливать причинно-следственные связи, формулировать выводы, анализировать информацию – все регулятивные, коммуникативные и познавательные умения, составляющие метапредметные результаты образования, легко достижимы при работе с датчиками Vernier. Диапазон применения датчиков в образовательном процессе неограничен, они успешно могут быть использованы при проведении демонстрационных и лабораторных работ на уроке, при организации исследовательской деятельности в урочном и внеурочном пространстве. Направления исследовательских работ могут быть самыми разнообразными. Возможности оборудования и программного обеспечения AFS™ позволяют организовать исследовательскую деятельность школьников при определении показателей качества окружающей среды, при формировании навыков здорового образа жизни, при выявлении общебиологических закономерностей.

Как выбрать тему исследования?

Одной из проблем, возникающих при организации и сопровождении исследовательских проектов школьников, является выбор темы исследования. Для того чтобы помочь учащемуся определиться с направлением и темой исследования, необходимо создать условия, при которых выявляется противоречие между имеющимися знаниями и новой информацией. В основе любой проблемы лежит противоречие, а тема отражает характерные черты проблемы. Главная задача учителя – научить видеть необычное в обычном, замечать сложности и противоречия там, где другим все кажется привычным и ясным. Самый простой способ развить умение видеть проблемы  учить смотреть на одни и те же предметы с разных точек зрения. При проведении демонстрационных и лабораторных работ с использованием датчиков Vernier и методического обеспечения AFS™ на уроках биологии можно создавать противоречивые ситуации, которые будут способствовать формированию мотивации на участие хотя бы в самой маленькой исследовательской работе. Важным моментом является то, что появляется возможность осуществлять интеграцию между отдельными предметами внутри предметной области, а также между различными предметными областями.

На одном из уроков по изучению темы «Опорно-двигательная система» для демонстрации был использован датчик силы (ручной динамометр). При анализе полученных результатов выяснилось, что из 26 человек, протестированных с помощью датчика, трое – левши, пятеро – правши, 18 амбидекстры. Из тех учащихся, которые оказались левшами, только у двоих левая рука является ведущей, третьего ребенка с раннего детства родители переучили. В результате определилась проблема, которая легла в основу исследовательской работы по теме «Леворукие и праворукие: какие мы?». Целью данного исследования стало выявление взаимосвязи между развитием полушарий головного мозга и реализацией способностей участников эксперимента. Проблема, определившаяся на уроке биологии, послужила основанием для организации и сопровождения исследовательской работы по психологии.

Изучение информации к эксперименту, которая размещена в разделе «Теория», позволило определить направления и темы исследования в области сохранения здоровья и занятия спортом. Тематика исследовательских работ по данным направлениям определилась как «Исследование возможностей диагностики нервно-мышечных проблем с помощью силы ручного жима» и «Сила ручного жима и его влияние на выбор спортивной секции».

Формирование проектно-исследовательской компетенции

Определение цели, задач, объекта и предмета исследования, выдвижение гипотезы это те умения, которые составляют методологию научного познания и формируют проектно-исследовательскую компетенцию.

При проведении демонстрационного опыта «Изучение степени защиты солнечных очков от ультрафиолета» с помощью ПО «Биология с компьютером в школе» AFS™ учащимся предлагалось определить цель исследования. Сначала было определено, что цель выступает критерием оценки результата исследования, на достижение которого направлена деятельность исследователя. Она формируется кратко, точно, выражает то основное, что намеревается сделать исследователь.

Изучив информацию из разделов «Теория» и «Справка» ПО, проанализировав результаты эксперимента, учащиеся предложили следующие цели предполагаемых работ:

«Изучение неблагоприятного влияния ультрафиолета на кожу и глаза человека», «Выявление способов защиты от ультрафиолета», «Определение основных характеристик при выборе солнцезащитных очков».

После того как цель определена, необходимо выбрать методы исследования. Учащиеся должны иметь представление о том, что метод исследования – способ, с помощью которого достигаются цели и решаются задачи исследования.

Метод наблюдения представляет собой активный познавательный процесс, опирающийся на работу органов чувств. Наблюдение как средство познания дает первичную информацию о мире. Используя программное обеспечение, можно провести наблюдение за состоянием сердечно-сосудистой системы человека в стрессовой ситуации. Во время вводной беседы к эксперименту необходимо выяснить, насколько учащиеся могут определить для себя, что такое стресс. Чаще всего в понимании школьников это реакция их организма на какие-то ситуации, связанные с нервными переживаниями. Большим открытием для них является тот факт, что кашель, резкий перепад температуры способны ввести наш организм в стрессовое состояние. С помощью датчика частоты сердечных сокращений (пульсометра) можно провести эксперимент «Изменение частоты сердечных сокращений во время кашля», который позволяет пронаблюдать реакцию сердца на кашель. Эксперимент «Изменение частоты сердечных сокращений до и после стрессового воздействия» обеспечивает наблюдение за реакцией сердца на периферическое воздействие холодом. Эти эксперименты расширяют представление школьников о возможных объектах наблюдения.

Метод сравнения позволяет установить сходство и различие предметов и явлений действительности. В результате сравнения выявляются общие признаки. Сравнивать необходимо лишь такие явления, между которыми может существовать определенная объективная связь. Сравнение должно вестись за существенными, важными признаками. Демонстрация «Изучение функционального состояния сердечно-сосудистой системы до и после физической нагрузки» дает возможность сравнить изменения кровяного давления и частоты сердечных сокращений до и после физических нагрузок. Следовательно, этот эксперимент может быть использован при выполнении работ, целью которых является формирование навыков здорового образа жизни. Такие же возможности позволяют реализовать эксперименты к демонстрациям «Изучение функциональной активности сердечно-сосудистой системы» (сравнивается частота пульса за разные отрезки времени), «Изучение функции дыхания человека» (сравнение частоты дыхательных движений до и после физических нагрузок).

Метод измерения – это определение численного значения некоторой величины посредством единицы измерения. Ценность измерения в том, что оно дает точные, количественно определенные сведения об окружающей действительности. Важнейшим показателем качества измерения, его научной ценности является точность, которая зависит от усердия исследователя, от применяемых им методов. Но главным образом точность зависит от использующихся и применяемых измерительных приборов. С помощью датчика содержания кислорода и датчика температуры можно провести эксперименты «Изучение потребления кислорода во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе», «Исследование изменений температуры и концентрации кислорода во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе». Результаты измерений позволяют сделать выводы об образе жизни, который ведет исследуемый, разработать рекомендации, провести мониторинг над состоянием организма.

Эксперимент предполагает вмешательство в естественные условия существования предметов и явлений. Это значит, что с помощью эксперимента можно воспроизвести отдельные стороны предметов и явлений, создать специальные условия и получить возможность изучить предмет или явление без осложняющих обстоятельств.

Актуальной целью школьного исследования является формирование культуры правильного питания. Навык определения «правильных» и «неправильных» продуктов как одного из аспектов рационального питания необходимо формировать с детства. Формировать его можно по-разному, но более наглядным является экспериментальное исследование процессов пищеварения. Так как этот процесс является внутренним, то для визуального изучения мы можем воспроизвести его с помощью датчика содержания pH и экспериментальной части к нему. Исследование активности фермента желудочного сока пепсина в растворах различной кислотности позволяет нам рассмотреть процесс пищеварения в желудке и выяснить, при каких значениях pH он наиболее активен. Кроме того, наглядно увидеть, какие пищевые продукты замедляют или ускоряют процесс расщепления белка, а также степень их воздействия на стенки желудка. С помощью того же датчика можно исследовать изменение pH яблочного сока под действием слюны человека.

Помимо эмпирических (опытных) методов исследования есть теоретические, это анализ и синтез.

Анализ – метод научного исследования путем разложения предмета на составные части.

Изучение слаженности работы сердца и легких проводится с помощью датчика частоты сердечных сокращений (пульсометра) и датчика частоты дыхательных движений. В ходе эксперимента определяется частота сердечных сокращений, частота дыхательных движений, рассчитывается индекс слаженности работы сердца и легких (индекс Хильдебрандта). Анализ полученных данных позволяет сделать вывод о слаженности работы сердца и легких.

Организация работы с оборудованием

Экспериментальная часть к исследовательской работе организуется с использованием инновационного оборудования, поэтому школьников нужно ознакомить с принципами его работы, методикой проведения демонстрационных и лабораторных работ. Все участники эксперимента должны быть ознакомлены с техникой безопасности. Содержание инструктажа зависит от характера эксперимента и датчиков для него. Если эксперимент проводится в кабинете биологии, то к общим правилам по технике безопасности при проведении практических работ в кабинет биологии добавляются специальные. Так при работе с датчиками, которые определяют состояние сердечно-сосудистой и дыхательной систем, необходимо предупредить учащихся о запрете участия в эксперименте в качестве испытуемого, если физическое напряжение может вызвать обострение какого-либо заболевания. Приступая к работе с датчиком УФ-излучения спектра В, нужно его откалибровать по относительной интенсивности излучения. Так как положение датчика должно быть направлено прямо на солнце, то учащиеся должны знать, что нельзя смотреть прямо на солнце, необходимо воспользоваться тенью датчика.

При выполнении эксперимента «Определение мутности воды из разных источников» инструкция должна содержать информацию о правилах поведения в природе и правилах взятия проб воды. Эти инструкции являются типовыми, традиционно используются для организации исследований в природных условиях. Кроме этого каждая экспериментальная часть содержит инструкции о подготовке датчика к работе, порядке подключения датчика к компьютеру, порядке проведения исследования. Важным является четкое выполнение этих инструкций.

Для выполнения исследовательской работы обязательным является сохранение всех, даже промежуточных результатов, которые в дальнейшем подвергаются тщательному анализу и позволяют сделать выводы и оформить заключение по исследованию. Для того чтобы сохранить полученные данные, достаточно воспользоваться кнопкой «Сохранить», если есть необходимость получить текстовую информацию, то можно воспользоваться кнопкой «Печать».

Цифровая естественно-научная лаборатория

Одним из направлений организации активной познавательной деятельности является развитие научно-технических способностей учащихся в рамках учебной и внеурочной деятельности. Современное оборудование и обеспечивает межпредметную интеграцию и развитие творческих способностей через использование робототехники. Возможности робототехники расширяются, если использовать LEGO-робота как цифровую естественно-научную лабораторию, для этого необходимо объединить возможности робота MINDSTORMS NXT с датчиками Vernier. Использовать такой робототехнический комплект на уроках биологии нецелесообразно, но можно для внеурочной деятельности учащихся. Появляется возможность осуществления ряда небольших исследовательских работ, при проведении которых формируется абсолютно новый опыт исследовательского поведения в результате взаимодействия учащихся разного возраста. Наиболее эффективна организация групповых исследований, в ходе которых учащиеся приобретают опыт работы в команде. Так как одним из направлений такой деятельности является сборка и программирование самих роботов, то учащиеся, хорошо владеющие ИКТ-компетенциями, обладающие техническим складом ума, берут на себя выполнение подготовки оборудования к исследованию. Учащиеся, владеющие исследовательскими компетенциями, реализуют экспериментальную часть.

Таким образом, могут быть организованы исследования по измерению качества атмосферного воздуха, мутности и Ph фактора воды в природных водоемах, Ph фактора почвы. С помощью датчика содержания кислорода возможно проведение экспериментальной части к исследовательской работе «Роль растений в накоплении кислорода».     Датчик УФ-излучения спектра В, адаптер NXT и интеллектуальный блок LEGO NXT позволяют осуществить сбор данных о степени защиты от ультрафиолета с максимальной точностью, так как калибровка датчика проводится с помощью программного обеспечения. При этом даже необязательной является сборка модели робота, что сокращает время проведения экспериментальной части.

Главная задача современного учителя состоит в том, чтобы научить учиться, помочь учащимся самостоятельно осваивать знания и создавать собственные образовательные траектории, а также формировать качества личности и ценностные отношения к окружающей действительности. Для решения этих задач учителя могут построить свою работу, опираясь на конкретный опыт учеников, а также воспользоваться междисциплинарным подходом, который интегрирует содержание предметов и позволяет учитывать способности каждого.

Об авторе

Ирина Михайловна Шайхитдинова, учитель биологии, г. Новоалтайск