CC BY
213Методические рекомендации по организации и проведению биологического эксперимента при обучении биологии в средней школе
Паршутина Людмила Александровна,
кандидат педагогических наук, старший научный сотрудник Центра естественнонаучного образования, ФГБНУ «Институт стратегии развития образования Российской академии образования» (ФГБНУ «ИСРО РАО») E-mail: [email protected]
Данная статья посвящена особенностям биологического эксперимента, применяемого в лабораторных работах и учебно-исследовательской деятельности учащихся. В статье рассмотрены общие положения личностных, мета-предметных и предметных результатов, отражающих овладения основными навыками исследовательской деятельности учащихся; умения проводить по самостоятельному плану опыты и эксперименты.
Показано, что сегодня владение методикой эксперимента является необходимым качеством специалиста в абсолютном большинстве областей науки и технологии. Поэтому эксперимент в той или иной форме присутствует во всех естественнонаучных учебных предметах, в том числе и биологии. В статье представлены основные требования и функции биологического эксперимента. Дана классификация по характеру поставленных целей и методикам проведения эксперимента. Рассмотрены обязательные этапы биологического эксперимента проводимого в условиях лабораторных работ. Предложены примеры уроков с организацией эксперимента на уроках биологии.
Также в статье уделяется внимание учебно-исследовательской деятельности с организацией эксперимента. Показаны основные преимущества биологического эксперимента перед наблюдением. Приведены примеры фрагментов проведенных экспериментов в ходе учебно-исследовательских работ учащимися 8-9 классов.
Показаны этапы оценивания биологического эксперимента в учебном процессе.
Ключевые слова: биологический эксперимент, лабораторная работа, опыт, учебно-исследовательская деятельность, продукт, наблюдение, гипотеза, проблема.
1. Общие положения
Федеральный государственный образовательный стандарт основного общего образования устанавливает требования к личностным, метапредметным и предметным результатам по биологии.
Личные результаты отражают: овладение базовыми навыками исследовательской деятельности, установку на понимание опыта, наблюдений, действий и желание совершенствовать способы достижения индивидуального и коллективного благополучия.
Метапредметные результаты отражают способность: провести простой эксперимент; оценить достоверность полученной информации в ходе исследования; формулировать самостоятельно выводы на основе собственных наблюдений, проведения опытов; прогнозировать дальнейшее развитие происходящих процессов и событий, а также последствий в аналогичных или аналогичных ситуациях; публично представлять свои самостоятельные результаты полученных в ходе эксперимента.
Предметные результаты отражают: понимание методов получения биологических знаний; изучение живых существ, биологических процессов и явлений, таких как: биологический эксперимент, наблюдение, описание, в том числе с использованием аналоговых и цифровых устройств и приборов; умение планировать под руководством наставника и проводить образовательные исследования или исследовательскую работу в области биологии; формулировать цели, предположительную проблему, главную гипотезу, ставить задачи, выбирать основные методы и их решения, формулировать выводы; полученные результаты публично представлять.
о с
CJ
см со
Статья выполнена в рамках проекта «Обновление содержания общего образования».
2. Особенности биологического эксперимента
Согласно самому общему определению, биологический эксперимент - это метод изучения биологических процессов в специально созданных условиях. В отличие от наблюдения, главной особенностью эксперимента является возможность его повторения. Этот метод создает условия для усвоения физиологических, экологических, эволюционных и методологических знаний, развития познавательного интереса и творческих способностей ученика.
Чтобы успешно овладеть методом эксперимента, школьники должны понимать цели эксперимента, условия его проведения, владеть методикой проведения, умением оформлять результаты в виде выводов или обобщений.
Развивающий эффект эксперимента зависит от уровня активности учащихся. Если учитель определил цель, методы проведения эксперимента и сформулировал выводы - это репродуктивный или иллюстративный эксперимент. Поисковые эксперименты - это самостоятельные исследования, когда степень помощи учителя невелика. В исследовательских экспериментах учащиеся самостоятельно исследуют теоретические или прикладные проблемы биологии и предлагают пути их решения [1].
Биологический эксперимент способствует реализации основных функций обучения, таких как образовательная, воспитательная, развивающая:
• образовательная функция способствует: пониманию учащимися биологических законов, явлений, процессов и теорий, а также формированию главных биологических концепций; умению овладевать методами биологических исследований и навыками самостоятельного составления плана и проведения наблюдений;
• воспитательная функция: позволяет развивать у обучающихся внимательность и точность, усидчивость и наблюдательность, работать самостоятельно и стремиться к достижению поставленной цели и задачам;
• развивающая функция: способствует формированию положительной мотивации к предмету, а также пробуждает глубокий интерес к предмету биологии и научным знаниям.
К биологическому эксперименту предъявляются следующие требования: они должны быть доступными, наглядными и ценными с когнитивной точки зрения. Многие эксперименты являются длительными, они не укладываются в один урок, поэтому необходимо заранее провести опыты, а затем продемонстрировать их результаты в связи с рассказом на соответствующую тематику.
Одним из важных условий биологического эксперимента являются:
• правильная постановка проблемы;
• удачно выполненный эксперимент;
• умелая организация итоговой беседы по результатам опыта;
• доступность эксперимента для понимания обучающимися и наличие определённой базы знаний.
Поставленные опыты могут оказаться неэффективными, если эксперимент неудачен или учитель не продумал итоговой беседы. Это часто случается из-за неправильного планирования времени на уроке, переоценки чувственного познания и недооценки слова учителя. Применение биологического эксперимента существенно повышает роль слова учителя, хотя его функция меняется. При традиционном обучении слово является источником знания, а при проблемном оно служит средством создания проблемной ситуации и руководства мыслительной деятельностью обучающихся.
Классификация биологических экспериментов, предусматривает:
1. В соответствии с характером поставленных целей биологические которые подразделяются на: исследовательские - направленные на открытие новых, неизвестных свойств объекта; проверочные - используются для проверки или подтверждения определенных теоретических построений.
2. В соответствии с методами проведения и задачами для получения результата эксперименты подразделяются на: качественны - носят поисковый характер и количественные - направлены на получение точных количественных данных [2].
Биологический эксперимент обязательно должен иметь практическую значимость и вызывать у школьников интерес к биологическим явлениям и процессам.
3. Лабораторные работы с организацией биологического эксперимента
На уроках биологии используется два способа лабораторных работ: фронтальный, когда учащиеся выполняют задания под руководством учителя, и индивидуальный, когда каждый ученик выполняет работу самостоятельно, проводит наблюдения или эксперимент.
Возможности лабораторного эксперимента по биологии ограниченны, однако его учебно-воспитательное значение огромно: он даёт возможность не только наблюдать, но и самостоятельно экспериментировать, приобретать практические навыки.
Учителю необходимо помнить, что для лабораторных работ надо отбирать такие эксперименты и наблюдения, которые можно проводить в классе во время одного урока.
Организация лабораторных работ с постановкой опытов и экспериментов дает обучающимся возможность получить новые знания и навыки. Чтобы проверить правильность теоретических знаний на практике, научиться анализировать, сравнивать наблюдаемое, делать выводы из результатов эксперимента.
При организации лабораторной работы с экспериментом необходимо учитывать следующие этапы: определить проблему, выдвинуть гипотезу; определить цель и задачи; провести инструктаж по технике безопасности; выполнить определенные работы: провести наблюдение и эксперимент, зафиксировать полученные результаты и сделать выводы.
Лабораторные работы проводятся с помощью лабораторного оборудования: термометр, лупа, компас, микроскоп. Лабораторное оборудование для проведения опытов и демонстраций в соответствии с содержанием обучения, изучения свойств звука, проведения наблюдений за погодой, по экологии, измерительные приборы, оборудование для уголка живой природы, модели с внутренними органами, муляжи, коллекции и др.
Проиллюстрируем фрагменты лабораторных работ с организацией биологического эксперимента для учащихся 6-9 классов.
сз о со "О
1=1 А
—I
о
сз т; о т О от
З
и о со
Тема «Исследование строения и жизнедеятельность инфузории»
Постановка проблемы: Инфузории наиболее высокоорганизованные одноклеточные или колониальные организмы. Имеют в клетке два ядра: большое и малое. Размножаются бесполым и половым путём. Половое размножение способствует обновлению и перераспределению генетического материала, что увеличивает жизнеспособность инфузории.
Гипотеза: Инфузории являются самыми сложными организмами по сравнению с другими простейшими.
Экспериментальная проверка гипотезы
Цель работы: обнаружить специализированные особенности инфузорий как одноклеточных организмов.
Оборудование: культура инфузорий, микроскопы, предметные и покровные стекла, пинетки, краситель (на выбор): тушь, конго красный, акварельный кармин, растертый древесный уголь, вата, фильтровальная бумага, соль, сахар.
Ход работы:
1. Подготовить культуру инфузорий. Субстратом для них могут служить загнившие части водных растений или срезанных в букет. Инфузорий можно взять из воды озер, прудов или вырастить в лаборатории. Для этого к воде из природного водоема надо добавить отвар сена (сенной настой), разбавленный водой и несколько дней постоявший в открытом сосуде. Тогда немногочисленные инфузории из водоема размножаться, питаясь, выросшими на настое сенными бактериями. В основном, в таких сенных культурах встречаются инфузории-туфельки.
2. Исследовать строение инфузорий.
1) На предметное стекло нанести каплю с культурой инфузорий, добавить в нее немного красителя, перемешать препаровальной иглой и оставляют на 15-20 минут.
2) Каплю воды с неокрашенной культурой инфузорий поместить на предметное стекло с волокнами ваты (быстро плавающие инфузории натыкаются на волокна, замедляют движение и это позволяет их рассмотреть). Препарат поместить под покровное стекло.
3) Рассмотреть строение и движение инфузорий при малом увеличении. Отметить их форму, большое ядро, наблюдать за движением и найти, что поступательное движение инфузории сопровождается вращением тела вокруг продольной оси. Заметить глубокое вдавление на одной из сторон - это клеточный рот, переходящий в клеточную глотку. Сделать рисунок инфузории с обозначениями ее частей.
4) Изучить детальное строение на окрашенных инфузориях. Для замедления их движения использовать кроме волокон ваты фильтровальную бу-
§ магу. Рассмотреть препарат при большом увели-£ чении. Отметить мерцающие реснички на поверх° ности и в области глотки. В цитоплазме хорошо
со
г видны окрашенные шаровидные пищеваритель-
ные вакуоли. На переднем и заднем конце тела расположены сократительные вакуоли, в центре клетки - большое и малое ядра. Сделать рисунок с обозначениями ее частей.
3. Исследовать процессы жизнедеятельности инфузорий.
1) Для изучения питания инфузорий приготовить временный неокрашенный препарат. Фильтровальной бумагой удалить излишки воды, добавить немного краски и рассмотреть инфузорий. Наблюдать движение частичек краски, которые вовлекаются в ротовое углубление и собираются в пузырек на конце глотки. Наблюдать как пищеварительная вакуоль отшнуровывается и движется по цитоплазме. В некоторых случаях можно наблюдать выбрасывании частичек краски через порошицу.
2) Для изучения таксисов инфузорий (ответных реакций простейших на действие различных раздражителей) также используют неокрашенную культуру инфузорий. Для наблюдения за таксисами достаточно пользоваться лупой.
• Опыт по наблюдению отрицательного таксиса. Каплю воды с инфузориями и каплю чистой воды нанести на предметное стекло и соединить водяным мостиком. К капле с инфузориями добавить кристаллы поваренной соли, которая является отрицательным раздражителем для инфузорий. Наблюдать, куда устремляются инфузории.
• Опыт по наблюдению положительного таксиса. Готовят две аналогичные капли с мостиком и в чистую каплю добавляют несколько кристаллов сахара. Наблюдают, куда устремляются инфузории.
4. Объяснить результаты эксперимента и дать ответ на выделенную проблему урока. Подтвердить или опровергнуть гипотезу.
Тема «Фотосинтез»
Постановка проблемы: В клетках листа в хло-ропластах происходит фотосинтез. При фотосинтезе из воды и углекислою газа на свету образуется органическое вещество-крахмал и выделяется кислород. Хлорофилл, который находится в хло-ропластах листа улавливает и направляет световую энергию на образование органических веществ из неорганических. Как происходят фотосинтез у растений, с красными листьями?
Гипотеза: Фотосинтез протекает только в хло-ропластах зеленого листа.
Экспериментальная проверка гипотезы Цель: установить необходимость света для образования крахмала в зеленых листьях из неорганических веществ.
Оборудование: три комнатных растения герани, вода, спирт, нагревательный прибор, раствор йода, чашки Петри, черная бумага, скрепки, 2 куска стекла, 2 стеклянных колпака, стакан с раствором едкой щелочи, вазелин, стакан с содой, смоченной раствором соляной кислоты, химические стаканы, элодея, 2 воронки, стеклянные трубочки, лучина, спички.
Ход работы:
1. Удаление крахмала из листьев.
1) Поставить растение, предварительно обильно полив, на 2-3 дня в темное место.
2) Для того, чтобы проверить наличие крахмала, необходимо через несколько дней (2-3) срезать один лист, затем опустить его на 2-3 минуты в крутой кипяток, далее в горячий спирт. Листья содержат красящие вещества, они растворятся в спирте, а сам лист станет бесцветным. После этого обесцвеченный лист надо снова промыть под горячей водой и залить слабым раствором йода. Будет видно, что окраска листа растения не поменяется, следовательно, крахмала в листьях нет.
2. Образование в листьях крахмала.
1) Небольшую часть листа растения необходимо покрыть с обеих сторон темной бумагой и поставить на солнце (подоконник).
2) На следующий день лист растения срезать и опять обработать так же, как при опыте на проверку наличия крахмала.
3) Далее обесцвеченный лист залить слабым раствором йода.
3. Вещества необходимые для образования
крахмала.
1) Растение герани под номером 1 возьмём из темного места и поставим его на свет под колпак. Рядом с растением также под колпак поместить стакан с раствором едкой щелочи, она будет поглощать из воздуха С02. Края колпака обязательно надо смазать вазелином.
2) Растение герани под номером 2 также необходимо поставить под колпак на свет. Обязательно рядом с растением надо поместить стакан с содой, смоченной раствором соляной кислоты. В результате реакций взаимодействия соды с кислотой выделяется С02.
3) На следующий день, после проведенного опыта с каждого растения герани срезаем по листу, чтобы обесцветить их и залить раствором йода.
4. Выделение кислорода.
1) Взять два стакана с побегами элодеи и прикрыть стеклянной воронкой.
2) Взять две пробирки, заполненные водой и закрыв отверстие пальцем поместить пробирку на трубку воронки.
3) В воду трубочки вдуть выдыхаемый воздух, богатый углекислым газом. Один стакан поставить на свет, другой в темноту.
4) Из стебля элодеи на свету через некоторое время начинают выделятся пузырьки газа, которые вытесняют воду из пробирки.
5) Когда вода будет полностью вытеснена газом, осторожно снять пробирку с воронки, плотно закрыв отверстие большим пальцем
6) Быстро внести тлеющую лучину в пробирку. Лучина ярко загорится.
5. Объяснить результаты эксперимента и дать
ответ на выделенную проблему урока. Подтвердить или опровергнуть гипотезу.
4. Исследовательская работы с организацией биологического эксперимента
Большое значение в исследовательской деятельности учащихся имеет эксперимент, который непосредственно связан с наблюдением, но не идентичен ему. Эксперимент имеет ряд основных преимуществ перед наблюдением: дает возможность изучить конкретное явление в его «чистом виде»; позволяет изучать свойства объектов в экстремальных условиях; может быть повторен в любое время; может быть проведен как непосредственно с объектом исследования, так и с его моделью.
Рассмотрим примеры фрагментов экспериментов, проведенных в ходе учебно-исследовательской работы учащихся 6-9 классов.
Тема: «Реакции морских свинок на внешние раздражители»
Постановка проблемы: морские свинки и хомяки - это животные общительные, любят ласку, очень любопытные. Когда их что-то пугает, они бегут в темный угол, пытаясь зарыться. Это поведение свойственно норным животным, у которых бегство является защитной реакцией. Но в то же время они отличаются друг от друга своим поведением: морская свинка считается дневным животным и ей нужно очень мало времени для сна, а хомяк является ночным животным и на протяжении всего дня находится в спячке.
В литературе встречаются мнения, что морские свинки и хомяки не поддаются дрессировке. Возникает вопрос: как эффективно можно сформировать заданный условный рефлекс животного?
Гипотеза исследования, заключающаяся в том, что формирования условных рефлексов животного является эффективным если: оно базируется на безусловных рефлексах, определяется многократностью производимых действий и подкрепляется мотивацией (положительными или отрицательными эмоциями).
Экспериментальная проверка гипотезы Цель работы: проследить за ходом поведения морской свинки и хомяка на основе выработки у них условных рефлексов на звуковой и цветовой фактор и определить в чем состоят различия в поведении грызунов на эти факторы.
Работа проводится по двум направлениям: выработка условного рефлекса на цвет кормового домика и звуковые сигналы.
Оборудование: натуральные объекты - хомяки и морские свинки, картонные домики, колокольчик и др.
Ход работы:
1) Определение выработки условного рефлекса у морской свинки и
хомяка на цвет кормового домика. Для опыта берут двух животных. Работа с ними ведется сначала раздельно, и лишь позднее оба животных выпускаются одновременно. На длинном столе устанавливаются с одной стороны клетка с животными, а на другом кон-
сэ о со "О
1=1 А
—I
о
сз т; о
т О
от
З
и о со
це, на расстоянии около 1,5-2 метров ставятся 2 цветных домика, окрашенных в разные цвета. Одно животное получает корм только в красном домике, другое только в зеленом. Второй домик во время опыта не должен содержать не малейших остатков пищи. Спустя некоторое время, животное, сразу как откроется дверца его клетки, бежит в свой домик, не обращая внимания на домик другого цвета [3].
Работу с хомяком лучше проводить в вечернее время т.к. это животное ведет преимущественно ночной образ жизни. Всего работа по выработке условного рефлекса занимает 30 дней, затем в течение двух недель с разными промежутками времени наблюдения проводится, чтобы узнать, за какое время у животных угасает данный рефлекс. На основании полученных результатов учащиеся делают выводы о выработки условного рефлекса у животных на цвет кормового домика.
2) Определение выработки условного рефлекса на звуковые сигналы.
Для подачи звуковых сигналов использовался колокольчик. В наблюдении так же участвуют морская свинка и хомяк. После подачи звукового сигнала свинке и хомяку дают лакомство (ломтики яблока) Во время опыта животные не должны быть голодными, поэтому опыт проводится после обычного кормления через 30 минут, 45 минут или 60 минут, меняя эти промежутки времени. Наблюдение проводится по 2 раза в день, 10 дней подряд, не прерываясь.
Итоговый вывод: поставленная рабочая гипотеза частично подтвердилась: так как условные рефлексы животных формируются на основании безусловных рефлексах и определяются многократностью производимых действий. Однако обучению эффективнее поддается морская свинка, которая реагирует и цвет и на запах, что касается хомяка, то реагирует только на запах.
Тема: «Строение и функции кожи»
Постановка проблемы: Потовые железы расположены в кожном покрове по всему телу. Они находятся в нижнем слое дермы, а их выделительные протоки точно штопор ввинчивается в поверхность эпидермиса и открываются на нем. Выделение пота играют важную роль в поддержании теплового баланса организма. Количество выделяемого пота зависит от условий среды - от температуры, влажности воздуха.
Гипотеза: Можно предположить, что у разных людей интенсивность потоотделения отличается, но будет отличается ли у них количество потовых желез.
Экспериментальное подтверждение гипотезы «Потовые железы: где они и сколько их»
Цель: изучить количество потовых желез в поле зрения микроскопа на маленьком увеличении § разных участков тела: подушечек пальцев, пред-£ плечья, голени и др. и выявить, отличается ли их ° число у разных людей (одноклассников). г Оборудование: микроскоп, клей ПВА.
Ход работы:
1. Нанесите небольшое количество клея ПВА на подушечку пальца, внутреннюю сторону предплечья, наружную поверхность голени.
2. Через 3-5 минут после полного высыхания клея снимите его пленку.
3. Разместите «слепок» кожи на покровном стекле так, гребешки кожи располагались вдоль поля зрения.
4. Рассмотрите препарат на маленьком увеличении, к примеру - 7х8.
5. Посчитайте количество потовых желез в поле зрения на 1 мм2.
Объясните наблюдения и дайте ответ на выделенную проблему урока. Подтвердите или опровергните гипотезу.
5. Оценивание биологического эксперимента
При оценке работ с организацией биологического эксперимента преподавателю целесообразно учитывать, как ученик справился с работой. Для этого необходимо оценить: правильно ли определены этапы работы и их выполнение; выбор нужного оборудования и материалов; самостоятельно выполнялись расчеты, построение диаграмм и схем и др.; умение проанализировать результаты своей работы; подготовка отчета о проделанной работе.
Литература
1. Общая методика обучения биологии в шко-ле/Т.В. Иванова, Е.Т. Бровкина, Г.С. Калино-ва и др.; под. ред. Т.В. Ивановой. - М.: Дрофа, 2010. - 271 с.
2. Пугал Н.А., Волошинова Е.В., Маш Р.Д., Беляев В.И. Биология - 9 (8): Человек. Практикум по гигиене. - М.: АРКТИ, 2002. - 96 с. (Дидактика).
3. Паршутина Л.А., Иванова Н.Н., Попова Г.М., Никифоров Г.Г. Научный метод познания на уроках биологии как качественно новый инструмент организации деятельности учеников на уроках/Современное педагогическое образование. 2019. № 8. С. 98-102.
4. Parshutina L.A. PRACTICE OF USING SCIENTIFIC METHOD OF COGNITION AT BIOLOGY LESSONS/ Педагогический журнал. 2018. Т. 8. № 4 A. С. 99-110.
METHODOLOGICAL RECOMMENDATIONS (GUIDELINES) FOR ORGANIZATION AND PERFORMANCE OF BIOLOGICAL EXPERIMENT DURING EDUCATIONAL PROCESS OF LEARNING BIOLOGY IN SECONDARY SCHOOL
Parshutina L.A.
Institute of education development strategy of the Russian Academy of education
This article is devoted to the features of a biological experiment used in laboratory work and educational research activities of students. In this paper general provisions of personal, metadisciplinary and subject results are considered, which are indicative of acquisition of
basic skills in student's exploratory activity; skills in performing experiments based on their own plan.
Nowadays grasp of experimental procedure is required quality for specialists in the vast majority of fields of science and technology. Hereat experiment in some form or other are present in all science student courses as well as in biology.
In the paper essential requirements and functions of biological experiments are represented. Classification of pattern of target goals and experimental technique is given. Obligatory stadiums of biological experiment conducted in laboratory classes conditions are considered. Examples of lessons with organisation of experiment in biology classes are proposed.
Furthermore the entry pays considerable attention to educational and exploratory activities with operation of experiment. Primary advantages of biological experiment over observation are illustrated. Examples of experimental stages conducted as part of educational and exploratory work by 8-9 grade students are given. Evaluation stages of biological experiment during educational process are shown.
Keywords: biological experiment (bioassay), laboratory-based
work, experiment, learning/educational and exploratory activities,
product, observation, hypothesis, problem.
References
1. General methodology of teaching biology at school / TV. Ivanova, E.T. Brovkina, G.S. Kalinova and others; under. ed. T.V. Ivanova. - M .: Bustard, 2010. - 271 p.
2. Scarecrow N.A., Voloshinova E.V., Mash R.D., Belyaev V.I. Biology - 9 (8): Human. Hygiene workshop. - M .: ARKTI, 2002. -96 p. (Didactics).
3. Parshutina L.A., Ivanova N.N., Popova G.M., Nikiforov G.G. Scientific method of cognition in biology lessons as a qualitatively new tool for organizing students' activities in the classroom / Modern pedagogical education. 2019. No. 8. P. 98-102.
4. Parshutina L.A. PRACTICE OF USING SCIENTIFIC METHOD OF COGNITION AT BIOLOGY LESSONS / Pedagogical Journal. 2018. Vol. 8. No. 4 A.S. 99-110.
