Как мы учим биологии в ОЛ ВЗМШ

В чем особенности обучения на отделении биологии ВЗМШ? Кому предназначена наша школа, кому стоит попробовать, а кому лучше искать другие способы образования?

Начнем с конца. Нашим ученикам приходится много читать и писать. Тем, кто не может преодолеть себя и прочитать хотя бы небольшое пособие страниц на 20, а также написать свой ответ достаточно подробно, советуем поискать другие способы обретения знаний. На этом список противопоказаний заканчивается. Но все же стоит заметить, что ВЗМШ не может заменить общения с живой природой, так же как и работу в кружке. Если у вас в школе (городе и т.д.) есть биологические кружки, общества, никогда не упускайте возможности поработать в них.

Кроме того, ВЗМШ никогда не стремилась ограничить свою деятельность исключительно подготовкой школьника к поступлению в вуз, со всей определенностью надо сказать, что ВЗМШ« это не заочные подготовительные курсы.

Биологическое отделение ВЗМШ создано учеными-биологами и предназначено для тех учеников, которых интересует наука биология. Поэтому нашей целью стало научить школьников некоторым методам научной работы, показать современные достижения биологической науки, причем сделать это так, чтобы ученики имели возможность творчески работать.

Основной вид работы ученика« решение задач. Мы ставим во главу нашего подхода к обучению именно умение докапываться до решения задач, то есть достижение реального результата. Понятно, что в школе решению задач по биологии уделяется очень мало времени. Так что редко у кого есть реальный опыт в их решении. А если у человека нет такого опыта, то ему порой остро не хватает учителя, который бы показал, как решаются подобные задачи, разобрал теорию и практику. Но в жизни мало толку от такой учебы, потому что жизнь не предлагает стандартных задач. Нет никакого творчества в воспроизведении известных алгоритмов, как нет творчества в штамповке ширпотреба. Часто слышишь: вначале как следует изучи теорию, а затем можно начинать решать всякие проблемы. Но мы давно убедились, что знание теории, многочисленных фактов тренируется путем решения задач гораздо эффективнее, чем прямым заучиванием информации.

Что же представляют собой биологические творческие задачи? По своей сути« это модели реальных научных проблем. Если задача действительно сложная, то для ее решения необходимо владеть многими навыками мышления, причем владеть скорее неосознанно. Так же как невозможно сознательно плыть, читая учебник по плаванью, или ехать на велосипеде, старательно двигаясь, как надо. Как вы понимаете, плыть и ехать возможно только после отработки навыков, доведения их до автоматизма, неосознанного использования.

Поставив перед новичком действительно сложную задачу, мы рискуем навсегда вселить непреодолимый страх перед задачей, неверие в свои силы со всеми вытекающими негативными последствиями. Поэтому оказываются совершенно необходимыми задачи I уровня« более легкие. Мы старались придумывать и подбирать их так, чтобы для их решения требовалось использовать, главным образом, отдельные навыки абстрактного мышления. Конечно, любая задача получается комплексной, то есть идеал« одна задача« один навык, недостижим, но мы к нему стремимся.

Соответственно задачи II уровня являются теми моделями научных, а иногда жизненных проблем, о которых мы говорили выше. Понятно, что их решение требует гораздо большего напряжения сил. И все же эти задачи под силу ученику на определенной ступени его развития. Теперь совершим короткую экскурсию по типам задач и тем навыкам абстрактного мышления, которые они тренируют.

{PAGEBREAK}

В каждом разделе программы присутствуют задачи, требующие мобилизации имеющейся в памяти информации (заметьте, такую информацию еще нельзя назвать знаниями). Информация, которая не используется, быстро забывается, так как наше подсознание оценивает ее как бесполезную. Умение вспомнить нужные факты в нужное время и в нужном месте прекрасно тренируется, хотя большинство людей не задумывается над этим.

Как пример задача по теме «Систематика»: Ваш друг загадал одно из растений (сосна, дуб, подорожник, морковь, роза, огурец, подсолнух, картофель, кукуруза, капуста). Ваша задача« определить загаданное растения за минимальное число вопросов. Опишите, какие вопросы вы будете задавать и какова будет их последовательность. Представьте свой ответ в виде ветвящейся схемы.

По теме «Экология»: приведите по одному примеру межвидовых взаимодействий по типу «++» «+0» «00» «0-» «--» для пар растение« растение, растение« животное, животное« растение.

В этих задачах от ученика требуется мысленный просмотр имеющихся у него знаний (или литературы), так как задание выполняется заочно, и отбор из них подходящих признаков, примеров и т. д. в соответствии с условием задания. При этом происходит, конечно, и некоторая структуризация, классификация суммы фактов. Это делает их более пригодными к быстрому использованию. К легким задачам этого же рода мы относим и задачи типа «найди ошибку»: Кузьма Зигота, будучи студентом, изучал ботанику под руководством отца Фолликула. Однажды ему удалось открыть новый вид папоротника« Фантазиоспорус. Кузьма постарался пронаблюдать жизненный цикл этого растения. Результаты его исследования представлены на рисунке. Увидев художества своего питомца, отец Фолликул пришел в негодование и стал бранить студиозуса за нерадивое изучение ботаники. Как вы думаете, чем был вызван гнев сего славного мужа науки?

Естественно рисунок дан с многочисленными ошибками.

Более сложная задача в биологии — классификация и систематизация знаний. Если она не проводится регулярно, то огромное количество фактов просто оказывается недоступным нашему сознанию, извлечь их из памяти в нужный момент оказывается невозможным. Поэтому в каждой теме обязательно имеются задачи на классификацию. В наиболее простых задачах ученикам предлагается заполнить таблицы, то есть критерии классификации задаются условием, а ученик сам по этим критериям «раскладывает свои знания по полочкам».

Например, в теме «Сравнительная физиология» школьники заполняют таблицу для рыб, земноводных, пресмыкающихся, птиц и млекопитающих: Основные органы дыхания; Дополнительные органы дыхания; Способы интенсификации дыхания; Смешиваются ли в сердце артериальная и венозная кровь?; Количество камер сердца у а) типичного представителя, б) исключений; и т. д.. Как видим, здесь необходима и мобилизация знаний. В более сложных задачах дети сами должны сформулировать приемлемые критерии классификации. Например: Мы ориентируемся в окружающем мире с помощью органов чувств (зрения, слуха, обоняния, осязания, вкуса, равновесия). В зависимости от типа воспринимаемых сигналов« механические, химические, световые, тепловые — экстерорецепторы делятся на группы: механорецепторы, хеморецепторы, фоторецепторы, терморецепторы. Сигналы «изнутри» организма, воспринимаемые интерорецепторами, также имеют различную природу. Составьте классификацию интерорецепторов исходя из природы действующих на них стимулов. Благодаря приведенной выше классификации экстерорецепторов, задача нетрудна для школьника, он действует по аналогии, но вполне самостоятельно. Следующим шагом будет самостоятельный выбор параметров классификации без подсказок и аналогий:

Как вы думаете, по каким основным параметрам разделяются экологические ниши а) различных видов крупных степных травоядных; б) ниши различных видов шмелей; в) ниши различных видов кузнечиков?

{PAGEBREAK}

Изучение систематики как раздела биологии чрезвычайно полезно для формирования того самого абстрактного мышления, которое является нашей целью. У нас есть отдельная тема «Систематика», в которой присутствуют самые разные задачи и на выбор критериев для классификации, и на составление определительных ключей, и на разбиение на множества и подмножества по различным признакам групп организмов. Эта тема является для нас самоценной. В школьной программе она проходится на примитивном уровне, и нам хотелось показать ее красоту, философскую, математическую и биологическую, а также большое значение в биологии закономерностей, в отличие от строгих законов. Но кроме этого, невозможно переоценить ее важность в формировании логических способностей, в развитии умения выделять главное и второстепенное, сравнивать, сопоставлять. Развиваются комбинаторные способности, вырабатывается системность взгляда на мир, ученик учится замечать соподчиненность, иерархичность естественных и искусственных систем. Эта тема позволяет охватить ряды разнообразий живых объектов как никакая другая. Приведем некоторые примеры задач:

Ботаники выделяют много вариантов строения листа. Составьте определитель типа листьев у растений.
Чем плоха классификация, в которой животных делят на диких, домашних, морских и заморских?
Составьте биологическое описание человека. Поясните, какие признаки стоит в него включать, а какие« нет.
Составьте классификацию а) видов спорта, б) способов движения животных, в) экзаменационных вопросов. Чем эти классификацп в биологической систематике?
Перед вами список из 7 растений: росянка, хвощ, береза, лебеда, кувшинка, сосна, пузырчатка. Разделите эти растения на 2 группы возможно большим числом способов. В каждом случае укажите, по какому признаку вы проводите разделение.
Составьте определитель, позволяющий установить, к какому царству относится данный организм.

Еще одним обязательным навыком абстрактного мышления является сравнение. Мы не будем приводить примеров задач, поскольку по вышеописанным примерам видно, насколько широко требуется этот навык.

Биология как наука дает огромные возможности для развития навыков логического мышления. Можно привести в качестве примеров очень большое количество логических задач. В классической генетике используется, наверное, наиболее простой тип логики« комбинаторика, теория вероятности (это не значит, конечно, что генетические задачи легкие, просто генетические задачи можно решать, следуя строгим алгоритмам). Мы не будет подробно на них останавливаться, так как генетика традиционно хорошо представлена в курсе средней школы. Биологическая логика, конечно, является частным случаем логики, как науки, вспомним широкое использование комбинаторики и теории вероятности в генетике, теории множеств в систематике, в моделировании экологических процессов используются дифференциальные уравнения. Системность, принципы прямой и обратной связи используются и в физиологии, и в экологии, и в биохимии... Но у биологии есть свои особенности, в частности - огромная роль закономерностей и тенденций в противовес строгим законам, системность и иерархичность объектов изучения. Поэтому в биологии установление различных взаимосвязей: причина« следствие, строение« функция, выделение единой системы и ее компонентов, частного и общего, главного и второстепенного и т. д. невозможно описать строгими алгоритмами. В своем роде это искусство, талант. Навыки в биологической логике развиваются практикой, приходят с опытом и множество наших задач направлено именно на развитие навыков биологической логики. Приведем некоторые примеры.

Связь строение« функция:

Мембрана архебактерий состоит из одного слоя молекул. Как должна выглядеть такая молекула?
Почти у всех насекомых кровь (гемолимфа) бесцветна, а почти у всех позвоночных кровь красная. В чем причина этого различия?
Почему тонкая кишка« тонкая, а толстая« толстая?

Причинно-следственные связи:
а) зависимость свойств живого от химии и физики, то есть как более низкие уровни организации материи определяют более высокие.

Почему активность ферментов изменяется при изменении рН?
Почему газообмен происходит менее эффективно, если ток крови параллелен току воды?

б) закономерности развития организма как системы, положительные и отрицательные, прямые и обратные связи (тема «Эмбриология»)

Если отделить друг от друга два первых бластомера у полухордового и моллюска, каким будет результат этих опытов?

в) взаимодействие (связь) организма и среды обитания. Воздействие« реакция, как свойство живого. Взаимодействие системы и подсистемы.

Если редис выращивать в теплице поздней осенью, у него образуется корнеплод. Будем часть растений ненадолго освещать в течение ночи. Каков будет результат?
Почему около уличных фонарей листопад задерживается?

г) Выявление взаимосвязи компонентов одной системы. Большинство экологических вопросов.

Порой ресурсы распределены равномерно, а особи популяции неравномерно: или группами, или случайно, или каким-то промежуточным образом. С чем это может быть связано? От каких причин зависит характер распределения особей в каждом таком случае?

д) выявление иерархии систем

составьте дерево эволюционных отношений между таксонами (по таблице).
назовите самые маленькие и самые крупные по числу видов типы (отделы) живых существ. Чем, по Вашему мнению, обусловлено в каждом случае такое большое либо малое количество видов?

е) вопросы, направленные на выявление закономерностей развития систем. Большинство задач по эмбриологии и эволюции.

Установлено, что в районе совместного обитания двух конкурирующих видов речных рачков самцы вида А часто спариваются с самками вида В, причем вид В в этом районе вытесняется видом А. Как могут быть связаны два этих факта?

{PAGEBREAK}

Кроме классификации задач ВЗМШ, исходящей из различных приемов мышления, которые они тренируют, можно параллельно провести несколько иную классификацию. Как уже говорилось, многие задачи прямо или косвенно моделируют различные этапы работы ученого. Все мы знаем, что ученый биолог (медик) обладает нестандартным видением, благодаря этому он видит противоречия там, где их не замечают другие, и может выявить проблему, поставить верный вопрос, ведущий к ее разрешению. Тогда он проводит наблюдения, отбирает факты, строит гипотезы, порой не одну, проверят их с помощью экспериментов, пробует опровергнуть с помощью тех же фактов, наблюдений и экспериментов, и, если опровергнуть не удается, то ему приходится создавать теорию. Процесс этот очень увлекательный, хотя и требует огромных затрат сил и энергии. Что касается приемов абстрактного мышления, то они, скорее всего, в деятельности ученого используются все сразу. Но ученый, конечно, может и не осознавать, что он применяет такой-то логический прием (не знает, что он говорит прозой), это не мешает заниматься ему наукой. Поэтому в условиях задач мы редко заостряем внимание на сути логических приемов (особенности школьного возраста таковы, что к освоению логики лучше всего приходить путем проб и ошибок). Но в средней школе такая возможность на уроках биологии школьнику предоставляется не часто. А им очень интересно хотя бы частично пройти нелегким, но увлекательным путем ученого. Для многих наших учеников любимыми являются вопросы связанные либо с объяснением экспериментов, либо с их придумыванием. Возможно, ученики еще не успели забыть, как увлекательно было в детстве осваивать мир, ломая игрушки, набивая шишки, мучая взрослых «глупыми» вопросами. Не успели забыть то чувство удивления, которое было им наградой в этой экспериментальной деятельности. Деятельность ученого« это и есть доведенное до совершенства детское занятие познанием мира. Если школа хочет поддержать творческую активность своих учеников, она должна предоставить им разумную свободу в познании. Вы скажете, что это дорогое удовольствие, и где граница между экспериментом и поломкой мебели? Да, это сложный вопрос. К сожалению, при заочном обучении наши возможности минимальны. Наши задачи эксплуатируют мысленный эксперимент. Впрочем, он играет большую роль не только в обучении, но и в науке.

В задачах на эксперимент развиваются и навыки абстрактного мышления, и связь с реальностью. Как нужно поставить эксперимент, чтобы доказать или опровергнуть гипотезу? В чем ошибся доктор Наплевайт при постановке эксперимента? Почему редактор не берет статью исследователя в научный журнал?

Вас взял в ученики Антонио Левенгук и попросил изучить влияние высоких температур на жизнеспособность открытых им анималькулей — микроскопических «зверюшек». Опишите план ваших исследований.
Как установить местонахождение различных вкусовых рецепторов у собаки и ящерицы?
Какими методами можно определить, из каких клеток какой орган развивается?

Как правило, к сложным заданиям относятся задачи на выдвижение гипотез. В них нужно уловить взаимосвязи между фактами, предложить объяснение экспериментов. Учесть, что непротиворечивых объяснений может быть несколько. Тут, вообще, встает сложный философский вопрос, что есть объяснение и что есть понимание. Блестящее решение подобных задач не дается сразу, оно предполагает развитые навыки абстрактного мышления. Мы всегда гордимся теми учениками, которые смогли выдвинуть нетривиальные объяснения.

У домашних животных окраска почти всегда более разнообразна, чем у их диких предков. Чем это можно объяснить?
Согласно древнегреческому мифу, Зевс, наказывая Прометея, приковал его к скале и посылал орла клевать ему печень; до следующего прилета орла печень у Прометея отрастала снова. Известно, что если у млекопитающих удалить часть печени, то она действительно регенерирует, т. е. через некоторое время достигает исходных размеров. Предложите гипотезы, объясняющие, как организм регулирует размеры печени (то есть почему она не остается маленькой и не вырастает больше нормы), и эксперименты, с помощью которых эти гипотезы можно было бы проверить.

Возможно, в средней школе не требуется столь углубленного изучения биологии, как в специализированных классах, но интересные задачи, активизирующие знания, моделирующие их применение в реальных ситуациях вполне возможны. Думать всегда не только сложно, но и интересно. Многие наши ученики в анкетах на вопрос« «какая задача была для вас самой сложной» и на вопрос« «какая задача показалась вам самой интересной» указывают один и тот же номер. От того, что будущие биологи научатся думать, критически относиться к теориям, самостоятельно решать некоторые проблемы, задавать вопросы, выиграет и биология, а не только школьники, так как ей увлекутся творческие ребята« будущие ученые.