ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ "ПЕРВОГО СЕНТЯБРЯ"

БУХВАЛОВ В.А.

Развитие творческих способностей учащихся на уроках биологии

c применением элементов теории решения изобретательских задач (ТРИЗ)

К сожалению, приходится констатировать, что несмотря на продолжающуюся реформу содержания школьного образования, на уроках биологии преобладает информационно-репродуктивное обучение. Подобный подход не соответствует требованиям современного общества, где на первый план выходит не столько энциклопедичность знаний, сколько умение получать информацию, ее преобразовывать и творчески использовать для исследовательской или практической деятельности.
Во второй половине прошлого века Г.С. Альтшуллером была разработана теория решения изобретательских задач (ТРИЗ). В примитивной трактовке ТРИЗ представляет собой комплект алгоритмов формулирования и решения творческих задач. Элементы ТРИЗ можно применять как весьма эффективное средство для развития творческого мышления учащихся при обучении их биологии в школе. С 1987 г. такой эксперимент проводится автором и его коллегами из примерно десяти школ Латвии.
Реализация этой работы потребовала внес-ти значительные изменения в содержание курса. Наряду с традиционными информационными текстами, репродуктивными вопросами и лабораторными работами в курс были включены биологические проблемы – творческие задачи, которые составлялись как самим автором, так и его коллегами. Дополнительно к этому были созданы комплекты творческих работ по биологии исследовательского, экспертного, проектного и прогностического содержания, которые также используются на уроках и в качестве домашних заданий.
Предлагаемые восемь лекций – это сжатый курс основных видов учебной деятельности учащихся и методического обеспечения учителя, направленный на то, чтобы ознакомить коллег с ТРИЗ-подходом в преподавании биологии в школе.

Учебный план курса

№ газеты	Учебный материал
	Лекция 1 . Структура и содержание биологического исследования
	Лекция 2. Биологические проблемы и методы их решений
	Лекция 3. Проблематизация биологических понятий Контрольная работа № 1 (срок выполнения – до 25 ноября 2006 г.)
	Лекция 4. Экспертные работы по биологии
	Лекция 5. Проектные работы по биологии Контрольная работа № 2 (срок выполнения – до 25 декабря 2006 г.)
	Лекция 6. Введение в технологию научных открытий
	Лекция 7. Творческая биография ученого
	Лекция 8. Методика организации учебной деятельности учащихся для эффективного развития творческих способностей
Итоговая работа. Итоговые работы, сопровождаемые справками из учебного заведения (актами о внедрении), должны быть направлены в Педагогический университет не позднее 28 февраля 2007 г.

Лекция 1. Структура и содержание биологического исследования

Специфика исследования в научной практике

Современную жизнь невозможно представить без науки. Зададим учащимся простой вопрос: в чем значение науки в обыденной жизни человека? Как ни странно, наши ученики много могут рассказать из теории науки: привести примеры закономерностей и законов, теорий и методов познания, но почему-то этот вопрос часто вызывает у них затруднение. А ведь ларчик открывается очень просто – всё, что окружает нас в школьном классе, есть прямое воплощение науки в практику: само здание школы построено в соответствии с законами возведения инженерных сооружений; парты, учебники, тетради созданы с учетом гигиенических норм; светильники в кабинете установлены в соответствии с законами электротехники. Даже наша одежда создана с учетом целого букета законов и закономерностей. Собираясь утром в школу, мы пользуемся мылом, готовим чай или кофе, делаем зарядку, и все это обеспечивается практическим применением знаний о научных закономерностях. Причем эти знания закладываются в нас с раннего детства родителями как простые истины, можно сказать аксиомы. Мы с детства привыкаем им следовать, не особо задумываясь над их правильностью.

Возникает первый вопрос: все ли у нас правильно в методиках преподавания предметов, если теорети-ческие закономерности учащиеся, в целом, знают неплохо, но просьба теоретически обосновать их собственные практические действия часто ставит их в тупик? Например, дети вряд ли смогут ответить на вопрос: какие законы физики надо знать, чтобы установить розетку? Или какие правила биологии нуж-но иметь в виду при уходе за комнатными растениями? Или, какие правила определяют, что нужно чистить зубы минимально два раза в день, а не, скажем, три или пять?

Научные исследования во многих случаях на-чинались с постановки конкретных практических задач, на которые ответов не было либо имеющиеся к тому времени ответы не позволяли в полной мере получать высокие практические результаты.

Возьмем классический пример с исследовани-ем питания растений. Еще древние земледельцы научились использовать навоз и золу для увеличе-ния урожайности растений. Однако постоянные, на про-тяжении веков, колебания урожайности ясно давали понять, что сочетания минеральных и органичес

ких удобрений подчиняются определенным правилам и зависят не только от почвы, но и от выращивае-мых культур. И только в конце XIX – начале XX в. агрохимия постепенно становится самостоятельной наукой, и выявляющей закономерности комплектации и применения удобрений на полях.

Таким образом, первая специфическая особенность научного исследования заключается в том, что вопросы, на которые ученые ищут ответы, возникают в реальной практической деятельности . Такие вопросы называются проблемами . Проблема – это вопрос, на который нет ответа вообще или имеющиеся ответы не являются конкретными, обеспечивающими эффективность практической деятельности. Проблемы – постоянные спутники нашей жизни, большие или маленькие, сложные или не очень, но они всегда там, где мы пытаемся что-либо делать. Можно, конечно, ничего не делать, но тогда возникает проблема выживания.

Ученые в большинстве своем – люди весьма наблюдательные и дотошные. Они всегда подвергают сомнению то, что многим кажется простым и понятным. Простой пример из работ Н.Коперника. Все знают, что Солнце встает на востоке и садится на западе. В начале XVI в. почти никто не сомневался, что именно Солнце вращается вокруг Земли, ведь движение Солнца видели все, движение Земли не видел никто. И только Н. Коперник засомневался: а так ли это или только кажется? В результате исследований ученому удалось доказать, что всё как раз наоборот: Солнце стоит на месте, а планеты, включая Землю, движутся вокруг него.

Но нужно ли заниматься перепроверкой всем известных истин?

Вернемся к примеру с применением удобрений на полях. Столетиями эта работа выполнялась на основе практического опыта. Можно утверждать, что земледельцы научились достаточно эффективно использовать различные сочетания минеральных и органических удобрений, но возникает вопрос: были ли эти практические решения наилучшими?

И здесь мы подходим ко второй специфической особенности научных исследований: результаты научных исследований не могут носить характера абсолютной истины, поскольку всегда ограничены методами познания и интеллектуальными возможностями исследователей и, следовательно, требуют периодической перепроверки . Это означает, что любая истина, даже самая, казалось бы, незыблемая, должна время от времени подвергаться сомнению и перепроверяться. Появляются новые методы исследований, и их применение часто приводит к существенным уточнениям в содержании истин, а иногда и к полной замене старых истин на новые.

Часто можно слышать, как молодые люди скептически заявляют, что, мол, в науке перспектив недостаточно: уже все или почти все крупные открытия сделаны, и тратить годы, а то и всю жизнь, на мелкие детали не имеет смысла. Кстати, во все времена большая часть молодежи скептически относилась к научной карьере и только немногие «начинали все заново», перепроверяя то, что считалось незыблемой истиной.

Всегда нужно помнить, что любая истина рождается как ересь и умирает как заблуждение. Правда, никто не знает времени жизни истины, да и невозможно его определить. Это время зависит от скорости появления новых методов познания и ученых с незаурядным интеллектом. Что мы знали о клеточном строении организмов до появления микроскопа? Ничего, кроме гипотез, на сей счет не было. Изобретение микроскопа привело к революционным открытиям в области строения и жизнедеятельности клеток и тканей, возникновению новых наук – цитологии, эмбриологии, гистологии.

Ученых в целом устраивала физическая картина мира, оформленная в стройную систему механики И.Ньютона, и вдруг, а так всегда в науке бывает, именно вдруг, появляется человек с незаурядным интеллектом, А.Эйнштейн, который выдвигает специальную теорию относительности вначале как гипотезу. И это дает новое направление для физических исследований и приводит к пересмотру всей физической картины мира, которая еще недавно ученым казалось простой, понятной и в целом не противоречивой.

Третья специфическая особенность научных исследований заключается в необходимости постоянного самообразования с целью изучения информации по всем вопросам, относящимся к сфере исследования . Наверное, ни в одной профессии нет такого жесткого требования постоянно изучать научную литературу и результаты новейших исследований, как в профессии ученого. Опыт других исследователей, изложенный в публикациях, оформляется в виде научной картотеки, которая с годами пополняется и является самым ценным инструментом научного познания. Не зря ведь говорят, что тот, кто владеет информацией, владеет истиной. Почему картотека так важна в научной деятельности? Потому что она определяет поле известной информации и четко обозначает границу, за которой начинается неизвестное.

В 1919 г. одесский счетовод И.Губерман с помощью элементарной алгебры вышел практически на те же положения специальной теории относительности, что и А.Эйнштейн. Каково же было его удивление и огорчение, когда он узнал, что эти положения уже открыты. Отрыв от информации о новейших исследованиях сводит научную деятельность на нет.

Четвертая специфическая особенность науки заключается в поиске и проверке всех возможных путей ведущих к истине . Такими путями являются научные гипотезы. Научная гипотеза всегда включает в себя определенные факты и допущения. Если гипотеза строится без научных фактов, лишь на одних допущениях, то чаще всего она лишена научного смысла. Это очень важный методологический аспект, определяющий объективность научных исследований.

Кто-нибудь задумывался над вопросом: а почему, собственно, интересные гипотезы приходят в голову, как правило, ученым, занимающимся исследованиями? Почему эти гипотезы не приходят в голову нам? Чем мы хуже? Вот, скажем, «отец русской авиации» Можайский, как-то гуляя под дождем, обратил внимание на то, как вода, стекающая из водосточной трубы, обтекает кирпич. Глядя на положение кирпича, он пришел к идее о форме крыла самолета. Другой пример: по мнению некоторых историков науки, химику Кекуле приснилась форма бензольного кольца. Может быть, и нам что-нибудь приснится или придет в голову, как Можайскому, если почаще гулять под дождем?

Ни то, ни другое. Увидеть научную гипотезу может только тот, кто погружен в информацию по данной теме. В основе гипотезы всегда лежат факты, и сама гипотеза, как интуитивное озарение, рождается лишь в том случае, если ученый регулярно осмысляет эти факты и создает в уме варианты различных последовательностей решения проблемы. В противном случае ничего не будет.

Называть это можно по-разному: инсайтом, озарением, шестым чувством, божественным откровением, как угодно. Но истина открывается только достойным, тем, кто доказал свое право на нее многолетним упорным трудом, а иногда и всей жизнью. Может поэтому нет среди Нобелевских лауреатов молодых и рьяных?

Что такое результаты научной работы? Допустим, что ученый всю свою жизнь посвятил тому, чтобы проверить ряд гипотез, и к концу жизни и карьеры убедился, что все они ошибочные. Может ли такое быть? Еще как! Мы ведь знаем имена тех ученых, которые добились несомненных успехов, творцов законов и теорий, авторов знаменитых и оригинальных гипотез, методов исследований. Но сотни имен ученых, которые не сделали великих открытий, остаются только в анналах специальной научной литературы. О них почти никто не знает. Они перепроверяли разнообразные гипотезы и убеждались сами и убедили других, что многие из этих гипотез несостоятельны. Выходит, жизнь впустую? Раз нет великих открытий, то какой же ты ученый?

Нет, не впустую. Их работы не менее важны, чем работы создателей законов и теорий. Именно благодаря их усилиям экономится время других ученых на ненужные поиски, сужается поле поиска истины. Гипотез, связанных с решением проблемы, может быть очень много – десятки и даже сотни. Возникает вопрос: а нужно ли все проверять? Может быть, достаточно проверить десять, тридцать или те, которые ученому кажутся наиболее близкими к истине?

Специфическая особенность научных исследований как раз в том и заключается, что нужно проверять все возможные гипотезы. Никто не знает и не может знать, а интуитивно это определить крайне сложно, какая гипотеза в результате практической проверки окажется истиной.

Более того, таких истин может быть несколько, что дает в последующем альтернативные направления в развитии науки и практики. Поэтому научное исследование требует терпения и многократной проверки.

Сделаем некоторые выводы из первой части нашей лекции.

Вывод первый – пессимистический. Научная работа чаще всего не приносит ни денег, ни славы. Как писал К.Э. Циолковский: «Я всю жизнь занимался тем, что не давало мне ни славы, ни хлеба, но я верил, в то, что в будущем мои работы принесут людям горы хлеба и бездну могущества» («Грезы о Земле и небе»).

Значит ли это, что наука – это занятие для людей не от мира сего. Вовсе нет. Уже в школе надо начинать подготовку к научной деятельности, обучая учеников азам научных исследований и поиску проблем, которые имеют перспективы для научной практики. Следует помнить, что общество может быть цивилизованным и конкурентоспособным только при условии конкурентоспособности научных институтов, имеющихся в этом обществе.

Одна из главных задач учителя – знакомить учащихся с новейшими исследованиями в изучаемой науке, с проблемами, над которыми в настоящее время работают ученые, методами их решений, практическими перспективами использования возможных решений. Что касается денег и славы, то ведь немало профессий, которые держатся на энтузиазме людей, выбирающих эти профессии. Профессии врача, учителя, инженера у нас не являются высокооплачиваемыми, но невозможно представить общество без этих профессий.

Второй вывод – оптимистический. Практика работы многих учителей показывает, что, начиная с 6–7-го классов, учащихся можно постепенно обучить методологии научных исследований. Более того, уже в школе отдельные ученики могут выполнить весьма успешные и интересные с научной точки зрения исследования.

Вывод третий – методологический. Изложенный выше материал представляет собой информацию для организации дискуссий с учащимися. По каждой особенности научных исследований можно проводить отдельные дискуссии, причем, начиная уже с 6-го класса. Ведь специфика научных исследований – это некоторые закономерности научной деятельности, понимание сути которых позволяет реально представить ученику работу ученого. Вкратце повторим последовательность ее основных этапов.

Мир вокруг нас можно рассматривать как совокупность проблем, возникающих в практической деятельности, и важно научиться видеть и формулировать эти проблемы.

Очень важно время от времени пересматривать известные закономерности, законы и теории, особенно сопоставляя их с новыми фактами. Должна идти настоящая «охота» за противоречиями между теорией и фактами. Именно противоречия и есть двигатель науки.

Для накопления необходимой для научной работы информации нужна картотека. В идеале, картотеку нужно начинать составлять с детского сада, в крайнем случае, со школьной скамьи. Чем больше картотека по исследуемой теме, тем больше шансов на победу, т.е. на научное открытие, почет, славу, деньги, Нобелевскую премию, наконец. Это если с юмором подходить к делу. А если серьёзно, ведение картотеки требует постоянного самообразования – ведь нужно не просто выписать факт, но и проанализировать его взаимосвязь с другими фактами и теориями.

Итак, сопоставив факты и теорию, мы увидели противоречие. Начинается самое интересное – формулирование гипотез для разрешения противоречий и их проверка. Гипотезы должны иметь хотя бы частичную фактологическую основу, т.е. быть научными, и чем гипотез будет больше, тем вероятнее, что хотя бы одна из них окажется истиной.

Но всё ли в этих выводах соответствует научной работе или что-то здесь не так? Вот об этом и нужно дискутировать с учащимися.

Структура биологического исследования и особенности его содержания

Исследование – это решение проблемы, включающее в себя теоретический анализ, оформление гипотез, практическую проверку полученных гипотез и оформление результатов. Научное исследование имеет следующую структуру.

1. Постановка проблемы, цели и задач исследования. От того, насколько правильно сформулирована проблема, зависят результаты всего исследования. Проблема исследования – это затруднение в объяснении жизнедеятельности организма или сообщества, недостаток или отсутствие информации о каком-либо объекте или процессе.

Формулирование проблемы начинается с краткого описания ситуации, в которой возникает проблема, после чего составляется формулировка самой проблемы.

Для формулирования проблемы о возникающем затруднении можно использовать следующую схему: выполнение действия (краткое описание его сути) дает положительный эффект (указывается, какой), но при этом возникает отрицательный эффект (указывается, какой).

Для формулирования проблемы о недостатке или отсутствии информации о какой-либо системе можно использовать следующую схему: повышение эффективности функционирования системы (указывается, какой) возможно в том случае, если будут созданы специальные условия (указывается, какие).

Исходя из сути проблемы, формулируется цель исследования. Цель – это ожидаемый результат исследования.

В соответствии с целью формулируются задачи исследования. В задачах исследования указываются основные этапы работы, их, как правило, три: теоретический анализ проблемы исследования, оформление гипотез решений проблемы в теоретическую модель и практическая проверка теоретической модели и ее коррекция.

2. Выбор методов исследования. Выбор методов исследования определяется поставленными задачами. Для выполнения каждой задачи следует тщательно продумать и выбрать теоретические и (или) практические методы.

К теоретическим методам относятся: сравнительный анализ информации из научной литературы, моделирование, системный анализ, методика решения противоречий, конструирование и проектирование.

К практическим методам исследования относятся: наблюдение, измерение, анкетирование, интервью, тестирование, беседа, метод рейтинга (определение значимости объекта, деятельности какой-либо личности или события путем использования специальной шкалы оценок), метод независимых характеристик (составление письменной характеристики объекта, личности или события большим количеством людей независимо друг от друга), эксперимент.

3. Теоретический анализ проблемы. Абсолютное большинство научных проблем не являются объективно новыми. Они уже когда-то ставились учеными в разных формулировках и имеют определенные решения. Другое дело, что имеющиеся решения малоэффективны или приводят в появлению нежелательных отрицательных последствий.

Поэтому первый этап теоретического анализа – это изучение и анализ научной и научно-популярной литературы. Без такого анализа велика вероятность того, что полученные результаты исследования будут повторять ранее известные решения проблемы.

Приступая к анализу научной литературы, следует, прежде всего, выбрать необходимые источники. Для этого лучше всего воспользоваться систематическим каталогом библиографического отдела научной библиотеки.

При работе с каждой книгой внимательно ознакомьтесь с оглавлением, выберите главы и параграфы, которые имеют непосредственное отношение к проблеме исследования. Из этих глав выписываются только те фрагменты, в которых содержится информация о методах решения проблемы, полученных решениях. Эти фрагменты выписываются полностью, либо составляются их аннотации.

Важнейшим условием правильного анализа научной литературы является сравнение различных подходов к решению проблемы, указание сильных и слабых сторон в каждом из полученных авторами решений. После завершения анализа научных монографий необходимо проанализировать научно-популярную литературу и, прежде всего, научно-популярные журналы. Часто результаты новейших исследований публикуются именно в научно-популярной литературе.

На втором этапе теоретического анализа выполняется решение проблемы с помощью методов диалектической логики и формулирования гипотез. Оптимальный путь – это решение проблемы всеми указанными выше методами: системным анализом, методикой разрешения противоречий. О применении этих методов будет рассказано во второй лекции.

На третьем этапе теоретического анализа сравниваются решения проблемы, полученные в процессе анализа научной литературы, и гипотезы, полученные при проведении диалектического анализа. В результате этой работы конструируется теоретическая модель цели исследования для последующей практической проверки.

4. Практическая проверка теоретической модели. Практическая проверка теоретической модели включает в себя, как правило, следующие три группы операций.

1. Практическая проверка теоретической модели с помощью экспериментов и ее коррекция . Исследователю следует помнить, что критерием истины является практика, а именно экспериментальная проверка полученных теоретических положений.

Планируя проведение экспериментов, следует придерживаться следующих правил: 1) максимальное исключение из опыта факторов, которые могут помешать его проведению или исказить результаты; 2) многократное повторение опытов; 3) сравнение результатов опыта с результатами в контрольном опыте, т.е. в отсутствие факта, действие которого исследуется, или в стандартных условиях; 4) возможные отрицательные последствия для участников опыта должны просчитываться заранее; 5) положительный результат опытов – это достижение устойчивых (воспроизводимых) положительных результатов в большинстве опытов.

2. Социометрия – это изучение мнений различных людей об экспериментальной системе с помощью бесед, анкетирования, интервью, методов рейтинга и независимых характеристик, тестов. Социометрия позволяет увидеть и оценить достоинства и недостатки экспериментальной системы глазами многих людей, как имеющих, так и не имеющих отношения к ее созданию. Важнейшим условием социометрии является предварительное ознакомление участников опросов с экспериментальной моделью. Люди должны знать то, о чем они будут высказывать свое мнение.

Для подготовки вопросов анкеты или интервью можно использовать следующую схему:

– Как вы относитесь к исследуемой системе?
– В чем, по вашему мнению, заключаются положительные стороны модели?
– В чем, по вашему мнению, заключаются отрицательные стороны модели?
– Как вы думаете, нужно ли внести в систему следующие изменения (указывается, какие именно)?– Какие изменения вы предлагаете внести в систему?

3. Математический анализ результатов экспериментов и социометрии предполагает построение графиков, диаграмм, составление уравнений, а также определение коэффицентов изменений полезных функций.

Графики и диаграммы строятся на основе общих правил. Коэффицент изменения каждой полезной функции системы рассчитывается как отношение количественного показателя полезной функции системы до воздействия к количественному показателю полезной функции после воздействия на изучаемую систему. Коэффиценты изменений полезных функций могут быть выражены в процентах, для этого полученные цифровые значения умножаются на 100%.

Математическая обработка полученных результатов позволяет более точно определить эффективность функционирования экспериментальной системы.

5. Составление выводов и предложений. Этот этап исследования включает в себя следующие две части.

1. Констатирующая часть. В этой части исследования составляются обобщенные выводы по каждой части работы. На основе теоретического анализа проблемы в выводах кратко отображается полученная теоретическая модель, ее сильные и слабые стороны. На основе практической части работы анализируются результаты экспериментов, указываются элементы коррекции, которые были внесены в теоретическую модель, – окончательно оформляется результат (цель) исследования.

На основании математической обработки результатов экспериментов и социометрии анализируется изменение эффективности функционирования полученной экспериментальной системы по сравнению с общепринятыми данными и отношение людей к ней.

Следует помнить, что в процессе исследования могут быть получены как отрицательные, так и положительные результаты. Принципиально важной является аргументация, которую предлагает исследователь для объяснения полученных результатов.

Завершая констатирующую часть, исследователь оценивает теоретические и практические результаты проведенного исследования.

2. Прогнозирующая часть. В этой части формулируются предложения по дальнейшим исследованиям изучаемой системы. Исследователь составляет краткий прогноз развития исследований системы, формулирует проблемы, которые могут возникнуть в ее деятельности, и составляет краткий план их решения.

6. Оформление списка использованной литературы. (В РФ для каждого вида публикаций установлены государственные стандарты (ГОСТ) библиографических описаний. За рубежом издатели определяют правила библиографических описаний для каждого вида издания.)

Список литературы, которая использовалась в процессе исследования, может быть составлен двумя способами: по алфавиту или по порядку использования. Если указываются научные монографии, то форма записи имеет следующий вид:

1. Иванов В.В. Балтийское море. – Рига: Просвещение,1987. – С. 34–37.
Указаны страницы издания, использованные в работе, но можно указать и общее количество страниц в книге. В этом случае вместо С. 34–37, записывается общее количество страниц в книге, например, 205 с.
Если указываются статьи из научных журналов или газет, то форма записи имеет следующий вид:

2. Петров А.Н. Заповедник Морицсала//Природа и мы. – 1989. – №7. – С. 32–41.

Сформулируем некоторые выводы по этой части лекции. Ознакомление учащихся с технологией научного исследования желательно построить через серию обсуждений его отдельных этапов на уроках. При этом рассказ учителя об особенностях каждого этапа желательно дополнять письменными размышлениями (эссе) учащихся на тему о значении данного этапа для процесса исследования и его результатов. Составление эссе рекомендуется проводить в группах, затем зачитывать и обсуждать, причем другим группам ставится задача опровергнуть основные выводы зачитываемого эссе.

Методика ознакомления учащихся с биологическим исследованием

Опыт обучения учащихся технологии научного исследования позволяет предложить как один из возможных вариантов методики преподавания следующий подход:

6–9-е классы – изучение элементов исследовательской деятельности;

10–11-е классы – целостное изучение технологии научного исследования.

Несомненно, что среди учащихся основной школы всегда будут дети с высоким интеллектуальным уровнем, которые к 7–9-му классу смогут провести целостное биологическое исследование, однако таких детей единицы.

Обучение анализу научной и научно-популярной литературы

В 6–8-х классах рекомендуется научить учащихся методике работы с информацией из научной и научно-популярной литературы. Существует пять вариантов такой работы (по степени усложнения): 1) картотека (набор аннотаций); 2) энциклопедическая справка; 3) доклад; 4) реферат; 5) обзорный анализ.

Сразу следует сказать об объеме работ. К сожалению, часто учителя завышают требования к объему докладов учащихся. Объемы информационных работ следует жестко ограничивать, следуя принципу: слов должно быть мало, мыслям должно быть тесно. Тем, кто сомневается в этом, можно напомнить, что докторская диссертация А.Эйнштейна по специальной теории относительности была изложена всего на 25 страницах. И это в то время, когда подобные диссертации писали не менее, чем на 150–200 страницах.

Картотека представляет собой набор карточек, на которых кратко изложено содержание статьи или книги. Обучение составлению картотеки следует начинать с текстов учебника. Примерный план аннотации может быть следующим: 1) название текста; 2) основные идеи текста; 3) факты, аргументы и опыты в поддержку основных идей; 4) противоречия между аргументами; 5) проблемы (недостаток или отсутствие информации о чем-либо). Объем карточки – не более половины страницы А4 (900 знаков).

Энциклопедическая справка представляет собой сборник карточек по выбранной теме. Объем энциклопедической справки растет с каждым годом.

Доклад представляет собой текст, в котором приводится сравнение двух или более мнений ученых, результатов исследований по выбранной теме. На первом этапе обучения возможно составление элементарных докладов по материалам энциклопедии или Интернета (это скорее информационное сообщение, нежели доклад). Основная задача доклада – сравнение различных мнений и поиск возможных противоречий. Объем доклада не более 3 страниц.

Реферат отличается от доклада тем, что на основе сравнения мнений разных ученых по выбранной теме автор реферата формулирует проблемы (противоречия) и выдвигает гипотезы для их решений. Эта форма работы оценивается выше, чем доклад. Объем реферата – не более 5 страниц.

Обзорный анализ – это реферат, в котором изложены основные научные мнения, результаты исследований по данной теме, сделан их сравнительный анализ, сформулированы проблемы (противоречия) и выдвинуты гипотезы. Объем обзорного анализа желательно ограничить 7–10 страницами.

Обучение формулированию проблем, их решению и выдвижению гипотез

Этот большой и достаточно сложный раздел мы рассмотрим подробно во второй и третьей лекциях.

Обучение наблюдениям, измерениям, опытам

Это традиционные элементы биологических исследований. Обучение методам этих исследований осуществляется в рамках программных лабораторных и практических работ. Однако необходимо сделать одно важное дополнение из теории решения изобретательских задач (ТРИЗ, подробнее о ТРИЗ – в следующих лекциях). Измерения должны выполняться в соответствии со следующими правилами.

1. Для точного определения состояния системы необходимо последовательное измерение всех ее изменений.

2. Если невозможно измерить параметры самой системы, то это можно сделать на ее копии или адекватной модели.

3. Если измерение параметров системы вызывает значительные трудности, то желательно так изменить систему, чтобы отпала необходимость в измерениях этих параметров.

4. Точность измерений можно повысить, если сравнить систему с одним или несколькими эталонами, параметры которых известны.

Обучение планированию исследований в 8–11-х классах

Под планированием исследований понимается специальная серия творческих заданий для учащихся, выполняя которые, они составляют описание плана предполагаемых исследований. Эту работу желательно начинать уже в 8-м классе. В средней школе эта работа должна быть обязательным составным элементом учебной деятельности учащихся.

Приведем несколько примеров таких заданий.

1. Составьте план исследования состояния окру-жающей среды в окрестностях вашей школы, используя в качестве индикаторов деревья, лишайники, видовой состав и количество травянистых растений.

2. По некоторым данным, ожирение у человека является генетическим заболеванием, а не следствием нерационального образа жизни. Составьте план исследования для определения реальных причин ожирения.

3. Ученые установили, что работы сердца человека недостаточно для перекачивания крови по организму. Составьте план исследования, которое необходимо было выполнить ученым.

Планирование исследования желательно проводить в группах или парах учащихся. Эти формы, особенно групповая форма, обеспечивают оптимальную организацию общения учащихся.

Учащимся можно предложить следующий алгоритм решения этой задачи, который является лишь одним из возможных алгоритмов планирования исследования.

1. Определите цель исследования: какой результат предполагается получить в процессе исследования? В чем практический смысл исследования?

2. Определите задачи и методы исследования – последовательность этапов работы для достижения цели.

3. Сформулируйте проблему исследования – затруднение, которое необходимо устранить, недостаток или отсутствие информации о цели исследования.

4. Сформулируйте гипотезу (гипотезы) исследования – предположение о возможном способе решения проблемы.

5. Составьте краткое описание информации, которую необходимо получить из научной литературы для построения теоретической модели проблемной ситуации.

6. Составьте описание наблюдений, опытов и измерений, которые необходимо выполнить для проверки гипотезы (гипотез).

7. Что будет содержаться в выводах из результатов исследования?

Пример планирования исследования

Ученые установили, что только 10% ДНК клеток человека регулярно работает на синтез белка. Какие исследования необходимо было провести ученым для такого вывода? Составьте его план.

Планируем исследование по следующему алгоритму.

1. Цель исследования – определение объема и состава регулярно работающих генов по отношению к общему объему генов. Практический смысл исследования заключается во многих аспектах, например в том, чтобы понять, какие гены интенсивно работают и, возможно, быстрее изнашиваются и как это влияет на продолжительность жизни человека. Еще один вариант – попытаться найти механизм регулирования работы генов, особенно выключения тех генов, работа которых нежелательна в данный возрастной период.

2. Задачи исследования:

1) анализ научной литературы: найти в научной литературе информацию о работе генов;

2) экспериментальные исследования для определения экспрессии генов (для определения белков будут использованы химические методы);

3) сравнение результатов экспериментальных исследований с данными, имеющимися в научной литературе.

3. Проблема исследования – необходимо получение точной информации об интенсивности работы и составе регулярно работающих генов человека в течение его жизни.

4. Гипотез может быть много, однако ограничимся одной: у человека регулярно работают не все гены, а только их часть, обеспечивающая синтез белков, необходимых для поддержания нормальной жизнедеятельности. Желательно, чтобы учащиеся выдвигали много гипотез, но планировать дальнейшие шаги исследования рекомендуется на основе одной гипотезы, которой ученики отдадут предпочтение. Планирование исследований по остальным гипотезам можно рекомендовать как домашнее задание или задание для углубленного изучения курса (дифференциация).

5. Из научной литературы необходимо получить следующую информацию: какие гены и как интенсивно работают, какие гены включаются только в определенный период, какие работают постоянно. Сравнить информацию из разных научных источников, сформулировать противоречия в виде проблемных вопросов.

6. Эксперименты предполагают определение синтезируемых белков в изолированных тканях тела человека, при этом желательно выбирать разные ткани для последующего сравнения. Необходимо определить, какие белки будут синтезироваться. Кроме того, образцы тканей необходимо взять у людей разного возраста для оценки возрастных изменений в экспрессии генов.

7. В выводах должны быть приведены обобщения по результатам каждого этапа работы (задачи), сравнение результатов экспериментов и теоретической модели, оценка соответствия полученных результатов гипотезе и формулировка перспектив дальнейших исследований.

Сделаем некоторые выводы по этой части лекции. В 6–7-х классах начинается начальное обучение учащихся технологии исследования. Подготовка карточек-аннотаций, энциклопедических справок, докладов, рефератов планируется учителем исходя из особенностей содержания тем и наличия дополнительной литературы. Аналитические обзоры рекомендуется выполнять в средней школе. Практические и лабораторные работы, опыты и измерения в классе и дома позволяют овладеть элементарными навыками практики исследований.

Начиная с 8-го класса желательно включать задания на планирование биологических исследований. Вначале – как обобщающие работы по двум-трем темам, чтобы учащиеся имели возможность выбора. Для этого ученикам предлагается несколько тем. В 10–11-х классах такие задания желательно включать в содержание каждой темы как на уроках, так и для домашнего выполнения.

Освоение учащимися планирования научных исследований позволяет отдельным ученикам со временем перейти к реальным научным исследованиям. Этот выбор делают сами ученики, и, чаще всего, он относится к исследованиям по экологической и природоохранной тематикам, а также к проблемам образа жизни детей и взрослых и его влиянию на их здоровье. Последние работы выполняются с помощью анкетирования, тестирования и других социометрических методов.

Вопросы и задания

1. Предложите темы и составьте описание методик проведения дискуссий с учащимися по специфическим особенностям научных исследований.

2. Правильно ли утверждение, что в споре рождается истина? Некоторые ученые заявляют, что в споре не истина рождается, а лишь обозначаются противоречия для поиска истины. Кому верить? Почему?

3. Молодой и амбициозный ученый твердо определил, что к 30 годам он просто обязан получить Нобелевскую премию за открытие, которое он обязательно сделает. Можно ли заранее спланировать такое открытие? Не подскажете ли секрет планирования?

4. Составьте план исследования влияния вегетарианского питания на состояние здоровья человека.

5. Составьте методику обучения учащихся планированию исследований на примере составления плана исследования проблемы влияния непрерывного самообразования на продолжительность жизни человека.

Литература для дополнительного чтения

1. Альтшуллер Г.С. Найти идею.– Новосибирск: Наука, 1986. – 209 с.

2. Бабанский Ю.К. Интенсификация процесса обучения // Биология в школе. – 1987.– №1. – С. 3–6.

3. Кларин М.В. Инновации в мировой педагогике: обучение на основе исследования, игры и дискуссии. (Анализ зарубежного опыта.) – Рига, НПЦ «Эксперимент», 1995. – 176 с.

Среди всех школьных дисциплин, да и просто наук, биология занимает отдельное место. Ведь это самая древняя, первая и естественная наука, интерес к которой возник с появлением самого человека и его эволюционированием. В разные временные эпохи изучение данной дисциплины складывалось неодинаково. Исследования в биологии осуществлялись при помощи все новых методов. Однако до сих пор остаются те, которые были актуальны с самого начала и не потеряли своей значимости. Какие это способы изучения науки и что вообще собой представляет данная дисциплина, рассмотрим в этой статье.

Биология как наука

Если углубляться в этимологию слова "биология", то в переводе с латыни это дословно будет звучать как "наука о жизни". И это действительно так. Данное определение отражает всю суть рассматриваемой науки. Именно биология занимается изучением всего многообразия живого на нашей планете, и если понадобится такое, то и за ее пределами.

Существует несколько биологических в которые объединены по общим морфологическим, анатомическим, генетическим и физиологическим признакам все представители биомассы. Это царства:

• Животные.
• Растения.
• Грибы.
• Вирусы.
• Бактерии, или Прокариоты.

Каждое из них представлено огромным количеством видов и других таксономических единиц, что еще раз подчеркивает, насколько многообразна природа нашей планеты. как науки - изучить их все, начиная от зарождения и заканчивая смертью. Также выявить механизмы эволюционирования, взаимосвязи друг с другом и человеком, самой природой.

Биология - лишь общее название, которое включает в себя целую семью поднаук и дисциплин, занимающихся детальными исследованиями в области живых существ и любых проявлений жизни.

Как уже оговаривалось выше, изучение биологии осуществлялось людьми с самых древних времен. Человека интересовало, как устроены растения, животные, он сам. Проводились наблюдения за живой природой и делались выводы, так накапливался фактологический материал, теоретическая база науки.

Достижения современной биологии вообще шагнули далеко вперед и позволяют заглядывать в самые мельчайшие и невообразимо сложные структуры, вмешиваться в ход естественных процессов и изменять их направление. Какими же способами во все времена удавалось добиваться таких результатов?

Методы исследования в биологии

Для получения знаний необходимо использовать различные методы их получения. Это касается и биологических наук. Поэтому данная дисциплина имеет свой комплекс мер, позволяющих пополнять методическую и фактологическую копилку. Это методы исследования в в школе обязательно затрагивает эту тему, ведь данный вопрос - основа. Поэтому об этих способах говорится еще на уроках природоведения или биологии в пятом классе обучения.

Какие же существуют методы исследования?

1. Описание.
2. в биологии.
3. Эксперимент.
4. Сравнение.
5. Метод моделирования.
6. Исторический способ.
7. Модернизированные варианты, основанные на использовании новейших достижений техники и современного оборудования. Например: электронная спектроскопия и микроскопия, метод окрашивания, хроматография, и прочие.

Все они были важны всегда, остаются таковыми и сегодня. Однако есть среди них тот, который появился первым и является до сих пор самым важным.

Метод наблюдения в биологии

Именно этот вариант исследования является определяющим, первым и значимым. Что такое наблюдение? Это получение интересующей информации об объекте при помощи органов чувств. То есть можно понять, что за живое существо перед тобой при помощи органов слуха, зрения, осязания, обоняния и вкуса.

Именно так учились различать элементы биомассы наши предки. Так продолжаются исследования в биологии и по сей день. Ведь невозможно узнать, как происходит окукливание гусеницы и появление из кокона бабочки, если не пронаблюдать за этим воочию, фиксируя каждый момент времени.

И таких примеров можно привести сотни. Все зоологи, микологи, ботаники, альгологи и прочие ученые наблюдают за выбранным объектом и получают полную информацию об их строении, образе жизни, взаимодействии с окружающей средой, особенностях физиологических процессов и прочих тонкостях организации.

Поэтому метод наблюдения в биологии и считается самым важным, исторически первым и значимым. Тесно рядом с ним идет и другой способ исследования - описание. Ведь пронаблюдать мало, нужно еще и описать то, что удалось увидеть, то есть зафиксировать результат. Это в дальнейшем и станет теоретической базой знаний о том или ином объекте.

Приведем пример. Если ихтиологу следует провести исследования в области конкретного вида рыбы, например, розового окуня, то он, в первую очередь, изучает уже имеющуюся теоретическую базу, которую составили по наблюдениям ученые до него. После этого он приступает к наблюдениям сам и тщательно фиксирует все полученные результаты. После этого проводится ряд экспериментов, и сравниваются результаты с теми, что уже имелись ранее. Так выясняется вопрос о том, где могут, например, нереститься данные виды рыб? Какие условия им для этого необходимы и насколько широко они могут варьироваться?

Очевидно, что метод наблюдения в биологии, так же, как и описание, сравнение и эксперимент тесно связаны в единый комплекс - способов исследования живой природы.

Эксперимент

Этот способ характерен не только для биологической науки, но и для химии, физики, астрономии и прочих. Он позволяет наглядно убедиться в том или ином теоретически выдвинутом предположении. При помощи эксперимента подтверждаются или опровергаются гипотезы, создаются теории и выдвигаются аксиомы.

Именно экспериментальным путем были открыты круги кровообращения у животных, дыхание и фотосинтез у растений, а также ряд других физиологических жизненно важных процессов.

Моделирование и сравнение

Сравнение - это метод, который позволяет составить эволюционную линию для каждого вида. Именно этот способ лежит в основе получения информации, на базе которой составляется классификация видов, строятся древа жизни.

Моделирование же метод больше математический, особенно если говорить о компьютерном способе построения модели. Данный способ подразумевает создание таких ситуаций над исследованием объекта, которые невозможно пронаблюдать в естественных условиях. Например, как повлияет то или иное лекарственное средство на организм человека.

Исторический метод

Лежит в основе выявления происхождения и становления каждого организма, его развития и преобразования в ходе эволюции. На основании полученных данных строятся теории и выдвигаются гипотезы о появлении жизни на Земле, развитии каждого царства природы.

Биология в 5 классе

Очень важно вовремя привить интерес учащимся к рассматриваемой науке. Сегодня появляются учебники "Биология. 5 класс", наблюдение в них - основной метод исследования данного предмета. Именно так ребята постепенно осваивают всю глубину этой науки, постигают ее смысл и важное значение.

Для того чтобы уроки проходили интересно и у детей прививался интерес к изучаемому, следует больше времени уделять именно этому методу. Ведь только когда сам ученик в микроскоп пронаблюдает поведение клеток и их строение, он сумеет осознать весь интерес этого процесса и то, насколько все это тонко и важно. Поэтому по современным требованиям деятельностный подход к изучению предмета - это залог успешного усвоения знаний учащимися.

А если каждый изучаемый процесс дети будут отражать в дневник наблюдений по биологии, то тогда след от предмета останется с ними на всю жизнь. Так и формируется и окружающему миру.

Углубленное изучение предмета

Если говорить о специализированных классах, направленных на более глубокое, детальное изучение науки, то следует сказать о самом главном. Для таких детей должна быть разработана особая программа углубленного изучения биологии, которая будет построена на наблюдениях в полевых условиях (летняя практика), а также на постоянных экспериментальных исследованиях. Дети должны сами убеждаться в том теоретическом знании, которое вкладывается в их головы. Именно тогда возможны новые открытия, достижения и рождение людей науки.

Роль биологического воспитания школьников

В целом детям необходимо изучать биологию не только потому, что природу надо любить, беречь и защищать. Но еще и потому, что это значительно расширяет их кругозор, позволяет понять механизмы протекания жизненных процессов, познать себя изнутри и с заботой относится к своему здоровью.

Если периодически рассказывать ребятам о том, какие достижения современной биологии имеются и как это отражается на жизни людей, они и сами поймут важность и значимость науки. Проникнутся к ней любовью, а значит, полюбят и ее объект - живую природу.

Достижения современной биологии

Таковых, конечно, множество. Если обозначить временные рамки хотя бы в пятьдесят лет, то можно перечислить следующие выдающиеся успехи в области рассматриваемой науки.

1. Расшифровка генома животных, растений и человека.
2. Вскрытие механизмов деления и гибели клеток.
3. Выявление сути потока генетической информации в формирующемся организме.
4. Клонирование живых существ.
5. Создание (синтез) биологически активных веществ, лекарств, антибиотиков, противовирусных препаратов.

Подобные достижения современной биологии позволяют человеку управлять некоторыми болезнями человека и животных, не давая им развиваться. Они позволяют решить многие проблемы, которые настигают людей в XXI веке: эпидемии страшных вирусов, голод, нехватка питьевой воды, плохая экологическая обстановка и прочие.

Текущая страница: 1 (всего у книги 27 страниц) [доступный отрывок для чтения: 18 страниц]

A. А. Каменский, Е. А. Криксунов, B. В. Пасечник
Биология. Общая биология 10–11 классы

Условные обозначения:

– задания, направленные на развитие умений работать с информацией, представленной в разных видах;

– задания, направленные на развитие коммуникативных умений;

– задания, направленные на развитие общих мыслительных умений и навыков, способности самостоятельно планировать пути решения конкретных задач.

Введение

Вы начинаете изучение школьного курса «Общая биология». Это условное название части школьного курса биологии, задача которого – изучение общих свойств живого, законов его существования и развития. Отражая живую природу и человека как её часть, биология приобретает всё большее значение в научно-техническом прогрессе, становясь производительной силой. Биология создаёт новую технологию – биологическую, которая должна стать основой нового индустриального общества. Биологические знания должны способствовать формированию биологического мышления и экологической культуры у каждого члена общества, без чего дальнейшее развитие человеческой цивилизации невозможно.

§ 1. Краткая история развития биологии

1. Что изучает биология?

2. Какие биологические науки вам известны?

3. Каких учёных-биологов вы знаете?

Биология как наука. Вы хорошо знаете, что биология – это наука о жизни. В настоящее время она представляет совокупность наук о живой природе. Биология изучает все проявления жизни: строение, функции, развитие и происхождение живых организмов, их взаимоотношения в природных сообществах со средой обитания и с другими живыми организмами.

С тех пор как человек стал осознавать своё отличие от животного мира, он начал изучать окружающий его мир. Сначала от этого зависела его жизнь. Первобытным людям необходимо было знать, какие живые организмы можно употреблять в пищу, использовать в качестве лекарств, для изготовления одежды и жилищ, а какие из них ядовиты или опасны.

С развитием цивилизации человек смог позволить себе такую роскошь, как занятие наукой в познавательных целях.

Исследования культуры древних народов показали, что они имели обширные знания о растениях, животных и широко их применяли в повседневной жизни.

Чарлз Дарвин (1809–1882)

Современная биология – комплексная наука, для которой характерно взаимопроникновение идей и методов различных биологических дисциплин, а также других наук – прежде всего физики, химии и математики.

Основные направления развития современной биологии. В настоящее время условно можно выделить три направления в биологии.

Во-первых, это классическая биология. Её представляют учёные-натуралисты, изучающие многообразие живой природы. Они объективно наблюдают и анализируют всё, что происходит в живой природе, изучают живые организмы и классифицируют их. Неправильно думать, что в классической биологии все открытия уже сделаны. Во второй половине XX в. не только описано много новых видов, но и открыты крупные таксоны, вплоть до царств (Погонофоры) и даже надцарств (Архебактерии, или Археи). Эти открытия заставили учёных по-новому взглянуть на всю историю развития живой природы. Для настоящих учёных-натуралистов природа – это самоценность. Каждый уголок нашей планеты для них уникален. Именно поэтому они всегда среди тех, кто остро чувствует опасность для окружающей нас природы и активно выступает в её защиту.

Второе направление – это эволюционная биология. В XIX в. автор теории естественного отбора Чарлз Дарвин начинал как обычный натуралист: он коллекционировал, наблюдал, описывал, путешествовал, раскрывая тайны живой природы. Однако основным результатом его работы, сделавшим его известным учёным, стала теория, объясняющая органическое разнообразие.

В настоящее время изучение эволюции живых организмов активно продолжается. Синтез генетики и эволюционной теории привёл к созданию так называемой синтетической теории эволюции. Но и сейчас ещё есть много нерешённых вопросов, ответы на которые ищут учёные-эволюционисты.

Созданная в начале XX в. нашим выдающимся биологом Александром Ивановичем Опариным первая научная теория происхождения жизни была чисто теоретической. В настоящее время активно ведутся экспериментальные исследования данной проблемы и благодаря применению передовых физико-химических методов уже сделаны важные открытия и можно ожидать новых интересных результатов.

Александр Иванович Опарин (1894–1980)

Новые открытия позволили дополнить теорию антропогенеза. Но переход от животного мира к человеку и сейчас ещё остаётся одной из самых больших загадок биологии.

Третье направление – физико-химическая биология, исследующая строение живых объектов при помощи современных физических и химических методов. Это быстро развивающееся направление биологии, важное как в теоретическом, так и в практическом отношении. Можно с уверенностью говорить, что в физико-химической биологии нас ждут новые открытия, которые позволят решить многие проблемы, стоящие перед человечеством.

Развитие биологии как науки. Современная биология уходит корнями в древность и связана с развитием цивилизации в странах Средиземноморья. Нам известны имена многих выдающихся учёных, внёсших вклад в развитие биологии. Назовём лишь некоторых из них.

Гиппократ (460 – ок. 370 до н. э.) дал первое относительно подробное описание строения человека и животных, указал на роль среды и наследственности в возникновении болезней. Его считают основоположником медицины.

Аристотель (384–322 до н. э.) делил окружающий мир на четыре царства: неодушевлённый мир земли, воды и воздуха; мир растений; мир животных и мир человека. Он описал многих животных, положил начало систематике. В написанных им четырёх биологических трактатах содержались практически все известные к тому времени сведения о животных. Заслуги Аристотеля настолько велики, что его считают основоположником зоологии.

Теофраст (372–287 до н. э.) изучал растения. Им описано более 500 видов растений, даны сведения о строении и размножении многих из них, введены в употребление многие ботанические термины. Его считают основоположником ботаники.

Гай Плиний Старший (23–79) собрал известные к тому времени сведения о живых организмах и написал 37 томов энциклопедии «Естественная история». Почти до Средневековья эта энциклопедия была главным источником знаний о природе.

Клавдий Гален в своих научных исследованиях широко использовал вскрытия млекопитающих. Он первым сделал сравнительно-анатомическое описание человека и обезьяны. Изучал центральную и периферическую нервную систему. Историки науки считают его последним великим биологом древности.

Клавдий Гален (ок. 130 – ок. 200)

В Средние века господствующей идеологией была религия. Подобно другим наукам, биология в этот период ещё не выделилась в самостоятельную область и существовала в общем русле религиозно-философских взглядов. И хотя накопление знаний о живых организмах продолжалось, о биологии как науке в тот период можно говорить лишь условно.

Эпоха Возрождения является переходной от культуры Средних веков к культуре Нового времени. Коренные социально-экономические преобразования того времени сопровождались новыми открытиями в науке.

Самый известный учёный той эпохи Леонардо да Винчи (1452–1519) внёс определённый вклад и в развитие биологии.

Он изучал полёт птиц, описал многие растения, способы соединения костей в суставах, деятельность сердца и зрительную функцию глаза, сходство костей человека и животных.

Во второй половине XV в. естественнонаучные знания начинают быстро развиваться. Этому способствовали географические открытия, позволившие существенно расширить сведения о животных и растениях. Быстрое накопление научных знаний о живых организмах вело к разделению биологии на отдельные науки.

В XVI–XVII вв. стали стремительно развиваться ботаника и зоология.

Изобретение микроскопа (начало XVII в.) позволило изучать микроскопическое строение растений и животных. Были открыты невидимые невооружённым глазом микроскопически малые живые организмы – бактерии и простейшие.

Большой вклад в развитие биологии внёс Карл Линней, предложивший систему классификации животных и растений.

Карл Максимович Бэр (1792–1876) в своих работах сформулировал основные положения теории гомологичных органов и закона зародышевого сходства, заложившие научные основы эмбриологии.

Карл Линней (1707–1778)

Жан Батист Ламарк (1774–1829)

В 1808 г. в работе «Философия зоологии» Жан Батист Ламарк поставил вопрос о причинах и механизмах эволюционных преобразований и изложил первую по времени теорию эволюции.

Огромную роль в развитии биологии сыграла клеточная теория, которая научно подтвердила единство живого мира и послужила одной из предпосылок возникновения теории эволюции Чарлза Дарвина. Авторами клеточной теории считают зоолога Теодора Шванна (1818–1882) и ботаника Маттиаса Якоба Шлейдена (1804–1881).

На основе многочисленных наблюдений Ч. Дарвин опубликовал в 1859 г. свой основной труд «О происхождении видов путём естественного отбора, или Сохранении благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь», в котором сформулировал основные положения теории эволюции, предложил механизмы эволюции и пути эволюционных преобразований организмов.

В XIX в. благодаря работам Луи Пастера (1822–1895), Роберта Коха (1843–1910), Ильи Ильича Мечникова в качестве самостоятельной науки оформилась микробиология.

XX век начался с переоткрытия законов Грегора Менделя, что ознаменовало собой начало развития генетики как науки.

В 40–50-е годы XX в. в биологии стали широко использоваться идеи и методы физики, химии, математики, кибернетики и других наук, а в качестве объектов исследования – микроорганизмы. В результате возникли и стали бурно развиваться как самостоятельные науки биофизика, биохимия, молекулярная биология, радиационная биология, бионика и др. Исследования в космосе способствовали зарождению и развитию космической биологии.

В XX в. появилось направление прикладных исследований – биотехнология. Это направление, несомненно, будет стремительно развиваться и в XXI в. Более подробно об этом направлении развития биологии вы узнаете при изучении главы «Основы селекции и биотехнологии».

Илья Ильич Мечников (1845–1916)

Грегор Мендель (1822–1884)

В настоящее время биологические знания используются во всех сферах человеческой деятельности: в промышленности и сельском хозяйстве, медицине и энергетике.

Чрезвычайно важное значение имеют экологические исследования. Мы, наконец, стали осознавать, что хрупкое равновесие, существующее на нашей маленькой планете, легко разрушить. Перед человечеством встала грандиозная задача – сохранение биосферы с целью поддержания условий существования и развития цивилизации. Без биологических знаний и специальных исследований решить её невозможно. Таким образом, в настоящее время биология стала реальной производительной силой и рациональной научной основой отношений между человеком и природой.

Классическая биология. Эволюционная биология. Физико-химическая биология.

1. Какие направления в развитии биологии вы можете выделить?

2. Какие великие учёные древности внесли заметный вклад в развитие биологических знаний?

3. Почему в Средние века о биологии как науке можно было говорить лишь условно?

4. Почему современную биологию считают комплексной наукой?

5. Какова роль биологии в современном обществе?

Подготовьте сообщение на одну из следующих тем:

1. Роль биологии в современном обществе.

2. Роль биологии в космических исследованиях.

3. Роль биологических исследований в современной медицине.

4. Роль выдающихся биологов – наших соотечественников в развитии мировой биологии.

Насколько изменились взгляды учёных на разнообразие живого, можно продемонстрировать на примере разделения живых организмов на царства.

Ещё в 40-е годы XX столетия все живые организмы делились на два царства: Растения и Животные. В царство растений включались также бактерии и грибы. Позднее более детальное изучение организмов привело к выделению четырёх царств: Прокариоты (Бактерии), Грибы, Растения и Животные. Данная система приводится в школьной биологии.

В 1959 г. было предложено делить мир живых организмов на пять царств: Прокариоты, Протисты (Простейшие), Грибы, Растения и Животные.

Данная система часто приводится в биологической (особенно переводной) литературе.

Разработаны и продолжают разрабатываться и другие системы, включающие 20 и более царств. Например, предложено выделить три надцарства: Прокариоты, Археи (Архебактерии) и Эукариоты. Каждое надцарство включает несколько царств.

§ 2. Методы исследования в биологии

1. Чем наука отличается от религии и искусства?

2. Какова основная цель науки?

3. Какие методы исследования, применяемые в биологии, вы знаете?

Наука как сфера человеческой деятельности. Наука – одна из сфер человеческой деятельности, цель которой – изучение и познание окружающего мира. Для научного познания необходим выбор определённых объектов исследования, проблем и методов их изучения. Каждая наука имеет свои методы исследования. Однако независимо от того, какие методы используются, для каждого учёного важнейшим всегда остаётся принцип: «Ничего не принимай на веру». Главная задача науки – построение системы достоверного знания, основанного на фактах и обобщениях, которые можно подтвердить или опровергнуть. Научные знания постоянно берутся под сомнение и принимаются лишь при достаточных доказательствах. Научным фактом (греч. factum – сделанное) является лишь тот, который можно воспроизвести и подтвердить.

Научный метод (греч. methodos – путь исследования) – это совокупность приёмов и операций, используемых при построении системы научных знаний.

Вся история развития биологии наглядно свидетельствует о том, что она определялась разработкой и применением новых методов исследования. Основными методами исследования, применяемыми в биологических науках, являются описательный, сравнительный, исторический и экспериментальный.

Описательный метод. Он широко применялся ещё учёными древности, занимавшимися сбором фактического материала и его описанием. В основе его лежит наблюдение. Практически до XVIII в. биологи в основном занимались описанием животных и растений, делали попытки первичной систематизации накопленного материала. Но описательный метод не потерял своего значения и сегодня. Например, он используется при открытии новых видов или изучении клеток с помощью современных методов исследования.

Сравнительный метод. Он позволил выявлять сходства и различия между организмами и их частями и стал применяться в XVII в. Использование сравнительного метода позволило получить данные, необходимые для систематизации растений и животных. В XIX в. он был использован при разработке клеточной теории и обосновании теории эволюции, а также в перестройке ряда биологических наук на основе этой теории. В наше время сравнительный метод также широко применяется в различных биологических науках. Однако если бы в биологии использовались лишь описательный и сравнительный методы, то она так и осталась бы в рамках констатирующей науки.

Исторический метод. Этот метод помогает осмыслить полученные факты, сопоставить их с ранее известными результатами. Он стал широко применяться во второй половине XIX в. благодаря работам Ч. Дарвина, который с его помощью научно обосновал закономерности появления и развития организмов, становления их структур и функций во времени и пространстве. Применение исторического метода позволило превратить биологию из науки описательной в науку, объясняющую, как произошли и как функционируют многообразные живые системы.

Экспериментальный метод. Применение экспериментального метода в биологии связывают с именем Уильяма Гарвея, который использовал его в своих исследованиях при изучении кровообращения. Но широко применяться в биологии он начал лишь с начала XIX в., прежде всего при изучении физиологических процессов. Экспериментальный метод позволяет изучать то или иное явление жизни с помощью опыта.

Большой вклад в утверждение экспериментального метода в биологии внёс Г. Мендель, который, изучая наследственность и изменчивость организмов, впервые использовал эксперимент не только для получения данных об изучаемых явлениях, но и для проверки гипотезы, формулируемой на основании получаемых результатов. Работа Г. Менделя стала классическим образцом методологии экспериментальной науки.

Уильям Гарвей (1578–1657)

В XX в. экспериментальный метод стал ведущим в биологии. Это стало возможным благодаря появлению новых приборов для биологических исследований (электронный микроскоп, томограф и др.) и использованию методов физики и химии в биологии.

В настоящее время в биологическом эксперименте широко используют различные виды микроскопии, включая и электронную с техникой ультратонких срезов, биохимические методы, разнообразные способы культивирования и прижизненного наблюдения культур клеток, тканей и органов, метод меченых атомов, рентгеноструктурный анализ, ультрацентрифугирование, хроматографию и т. д. Не случайно во второй половине XX в. в биологии развилось целое направление – создание новейших приборов и разработка методов исследования.

В биологических исследованиях всё шире применяют моделирование, которое считают высшей формой эксперимента. Так, ведутся активные работы по компьютерному моделированию важнейших биологических процессов, основных направлений эволюции, развития экосистем или даже всей биосферы (например, в случае глобальных климатических или техногенных изменений).

Экспериментальный метод в сочетании с системно-структурным подходом коренным образом преобразил биологию, расширил её познавательные возможности и открыл новые пути для использования биологических знаний во всех сферах человеческой деятельности.

Научный факт. Научный метод. Методы исследования: описательный, сравнительный, исторический, экспериментальный.

1. В чём заключаются основная цель и задача науки?

2. Почему можно утверждать, что развитие биологии определялось разработкой и применением новых научных методов исследования?

3. Какое значение имели описательный и сравнительный методы для развития биологии?

4. В чём сущность исторического метода?

5. Почему экспериментальный метод получил наибольшее распространение в XX в.?

Предложите методы исследования, которые вы будете применять при изучении антропогенного воздействия на какую-либо экосистему (водоём, лес, парк и т. д.).

Предложите несколько своих вариантов путей развития биологии в XXI в.

Какие болезни, по вашему мнению, будут побеждены человечеством при помощи методов молекулярной биологии, иммунологии, генетики в первую очередь.

Научное исследование, как правило, состоит из нескольких этапов (рис. 1). На основании сбора фактов формулируется проблема. Для её решения выдвигаются гипотезы (от греч. hypothesis – предположение). Каждая гипотеза проверяется экспериментально в ходе получения новых фактов. Если полученные факты противоречат гипотезе, то она отвергается. Если гипотеза согласуется с фактами и позволяет делать верные прогнозы, то она может стать теорией (от греч. theoria – исследование). Однако даже верная теория по мере накопления новых фактов может пересматриваться и уточняться. Наглядным примером служит теория эволюции.

Некоторые теории заключаются в установлении связи между различными явлениями. Это правила и законы.

Из правил возможны исключения, а законы действуют всегда. Например, закон сохранения энергии справедлив как для живой, так и неживой природы.

Рис. 1. Основные этапы научного исследования

Изучив рисунок 1, предложите план проведения своего небольшого биологического исследования.

§ 3. Сущность жизни и свойства живого

1. Что такое жизнь?

2. Что считают структурно-функциональной единицей живого?

3. Какие свойства живого вам известны?

Сущность жизни. Вы уже знаете, что биология – это наука о жизни. Но что такое жизнь?

Классическое определение немецкого философа Фридриха Энгельса: «Жизнь есть способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой, причём с прекращением этого обмена веществ прекращается и жизнь, что приводит к разложению белка» – отражает уровень биологических знаний второй половины XIX в.

В XX в. делались многочисленные попытки дать определение жизни, отражающие всю многогранность данного процесса.

Все определения содержали следующие постулаты, отражающие сущность жизни:

– жизнь есть особая форма движения материи;

– жизнь есть обмен веществ и энергии в организме;

– жизнь есть жизнедеятельность в организме;

– жизнь есть самовоспроизведение организмов, которое обеспечивается передачей генетической информации от поколения к поколению.

Жизнь представляет собой форму движения материи высшую по сравнению с физической и химической формами её существования.

В самом общем смысле жизнь можно определить как активное, идущее с затратой энергии, полученной извне, поддержание и самовоспроизведение специфических структур, состоящих из биополимеров – белков и нуклеиновых кислот.

Ни нуклеиновые кислоты, ни белки в отдельности не являются субстратом жизни. Они становятся субстратом жизни лишь тогда, когда находятся и функционируют в клетках. Вне клеток – это химические соединения.

По определению отечественного биолога В. М. Волькенштейна, «живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров – белков и нуклеиновых кислот».

Свойства живого. Для живого характерен ряд общих свойств. Перечислим их.

1. Единство химического состава. Живые существа образованы теми же химическими элементами, что и неживые объекты, но в живых существах 90 % массы приходится на четыре элемента: С, О, N, Н, которые участвуют в образовании сложных органических молекул, таких, как белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды.

2. Единство структурной организации. Клетка является единой структурно-функциональной единицей, а также единицей развития почти для всех живых организмов на Земле. Исключением являются вирусы, но и у них свойства живого проявляются, лишь когда они находятся в клетке. Вне клетки жизни нет.

3. Открытость. Все живые организмы представляют собой открытые системы, т. е. системы, устойчивые лишь при условии непрерывного поступления в них энергии и вещества из окружающей среды.

4. Обмен веществ и энергии. Все живые организмы способны к обмену веществ с окружающей средой. Обмен веществ осуществляется в результате двух взаимосвязанных процессов: синтеза органических веществ в организме (за счёт внешних источников энергии – света и пищи) и процесса распада сложных органических веществ с выделением энергии, которая затем расходуется организмом.

Обмен веществ обеспечивает постоянство химического состава в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды.

5. Самовоспроизведение (репродукция). Способность к самовоспроизведению является важнейшим свойством всех живых организмов. В её основе лежит информация о строении и функциях любого живого организма, заложенная в нуклеиновых кислотах и обеспечивающая специфичность структуры и жизнедеятельности живого.

6. Саморегуляция. Любой живой организм подвергается воздействию непрерывно меняющихся условий окружающей среды. В то же время для протекания процессов жизнедеятельности в клетках необходимы определённые условия. Благодаря механизмам саморегуляции сохраняется относительное постоянство внутренней среды организма, т. е. поддерживается постоянство химического состава и интенсивность течения физиологических процессов, иными словами, поддерживается гомеостаз (от греч. homoios – одинаковый и stasis – состояние).

7. Развитие и рост. В процессе индивидуального развития (онтогенеза) постепенно и последовательно проявляются индивидуальные свойства организма и осуществляется его рост. Кроме того, все живые системы эволюционируют – изменяются в ходе исторического развития (филогенеза).

8. Раздражимость. Любой живой организм способен избирательно реагировать на внешние и внутренние воздействия.

9. Наследственность и изменчивость. Преемственность поколений обеспечивается наследственностью. Потомки не являются копиями своих родителей из-за способности наследственной информации к изменениям – изменчивости.

Отдельные свойства, перечисленные выше, могут быть присущи и неживой природе. Например, кристаллы в насыщенном растворе соли могут «расти». Однако этот рост не имеет тех качественных и количественных параметров, которые присущи росту живого.

Для горящей свечи тоже характерны процессы обмена веществ и превращения энергии, но она не способна к саморегуляции и самовоспроизведению.

Следовательно, все перечисленные выше свойства в своей совокупности характерны только для живых организмов.

Жизнь. Открытая система.

1. Почему очень сложно дать определение понятия «жизнь»?

2. В чём отличие химической организации живых организмов от объектов неживой природы?

3. Почему живые организмы называются открытыми системами?

4. Чем принципиально отличаются процессы обмена у живых организмов и в неживой природе?

5. Какова роль изменчивости и наследственности в развитии жизни на нашей планете?

Сравните сущность процессов роста, размножения и обмена веществ в неживой природе и у живых организмов.

Приведите примеры свойств, характерных для живого организма, которые можно наблюдать и у неживых объектов.

Организм (от лат. organizo – устраиваю) – это особь, индивид (от лат. individuus – неделимый), самостоятельно взаимодействующий со средой своего обитания. Термин «организм» легко понять, но почти невозможно однозначно определить. Организм может состоять из одной клетки и может быть многоклеточным. Разные колониальные организмы могут состоять из однородных организмов, например вольвокс, или представлять собой комплекс высокодифференцированных особей, составляющих единое целое, например португальский кораблик – колониальное кишечнополостное животное. Иногда даже отделённые друг от друга особи образуют группы, отличающиеся определёнными индивидуальными свойствами, например у пчёл, как и у других социальных насекомых, семья имеет ряд свойств организма.

2.

3.

Во Введении исследовательской работы обосновывается актуальность выбранной темы, определяются объект, предмет исследования и основные проблемы, формулируется цель и содержание поставленных задач, сообщается, в чем состоит новизна исследования(если имеется).

В этой главе определяются методы исследования, обосновывается теоретическая и практическая значимость(если есть практическая часть) работы.

Структура Введения исследовательской работы:

4. Историческая справка по проблеме исследовательской работы

5. Основная часть исследовательской работы
Поиск необходимой информации, знаний для проведения исследования.
Выбор идей и вариантов, их обоснование и анализ.
Выбор материала, методов для проведения исследования.
Подбор оборудования и организация рабочего места для исследования (если это опыт).
Описание этапов проведения исследования.
Техника безопасности при выполнении работ(если это опыт).

6. Заключение
(краткие выводы по результатам исследовательской работы, оценка полноты решения поставленных задач)
В нем последовательно излагаются полученные результаты, определяется их соотношение с общей целью и конкретными задачами, сформулированными во введении, дается самооценка о проделанной работе. В некоторых случаях можно указать пути продолжения исследования темы, а также конкретные задачи, которые предстоит при этом решать.

7.
После заключения принято помещать список литературы, использованной при выполнении исследовательской работы. Каждый включенный в него источник должен иметь отражение в пояснительной записке. Не следует включать в данный список работы, которые фактически не были использованы.

8.
(диаграммы, графики, схемы, фотографии, таблицы, карты).
Вспомогательные или дополнительные материалы, которые загромождают основную часть работы, помещают в приложениях. Каждое приложение должно начинаться с нового листа (страницы) с указанием в правом верхнем углу слова «Приложение» и иметь тематический заголовок. При наличии в работе более одного приложения они нумеруются арабскими цифрами (без знака №) и т. д. нумерация страниц, на которых даются приложения, должна быть сквозной и продолжать общую нумерацию основного текста. Связь его с приложениями осуществляется через ссылки, которые употребляются со словом «смотри» (см.), заключаемым вместе с шифром в круглые скобки.
Если четко придерживаться плана исследовательской работы, работа будет сответствовать всем нормам и требованиям.

Краткое описание:

Сазонов В.Ф. Современные методы исследований в биологии [Электронный ресурс] // Кинезиолог, 2009-2018: [сайт]. Дата обновления: 22.02.2018..__.201_). Материалы по современным методам исследований в биологии, её разделах и смежных дисциплинах.

Материалы по современным методам исследований в биологии, её разделах и смежных дисциплинах

Рисунок : Основные ветви биологии.

В настоящее время биология условно разделяется на две большие группы наук.

Биология организмов : науки о растениях (ботаника), животных (зоология), грибах (микология), микроорганизмах (микробиология). Эти науки изучают отдельные группы живых организмов, их внутреннее и внешнее строение, образ жизни, размножение и развитие.

Общая биология : молекулярный уровень (молекулярная биология, биохимия и молекулярная генетика), клеточный (цитология), тканевой (гистология), органы и их системы (физиология, морфология и анатомия), популяции и природные сообщества (экология). Иными словами, общая биология изучает жизнь на различных уровнях.

Биология тесно связана с другими естественными науками. Так, на стыке между биологией и химией появились биохимия и молекулярная биология, между биологией и физикой – биофизика, между биологией и астрономией – космическая биология. Экология, находящаяся на стыке биологии и географии, в настоящее время часто рассматривается как самостоятельная наука.

Задачи студентов по учебному курсу Современные методы биологических исследований

1. Ознакомление с разнообразными методами исследований в различных областях биологии.

Решение и отчётность:
1) Написание обзорного учебного реферата по методам исследования в различных областях биологии. Минимальные требования к содержанию реферата: описание 5 методов исследования по 1-2 страницы (шрифт 14, интервал 1,5, поля 3-2-2-2 см) на каждый метод.
2) Предоставление доклада (желательно в виде презентации) по одному из современных методов биологии: объём 5±1 страница.
Ожидаемые результаты обучения:
1) Поверхностное знакомство с широким набором методов исследований в биологии.
2) Углубленное понимание одного из методов исследования и передача этого своего знания студенческой группе.

2. Проведение обучающего учебно-научного исследования от постановки цели до выводов с применением необходимых требований к оформлению научного отчёта об исследовании.

Решение:
Получение первичных данных на лабораторных занятиях и в домашних условиях. Допускается проведение части подобного исследования во внеаудиторное время.

3. Знакомство с общими методами исследования в биологии.

Решение:
Лекционный курс и самостоятельная работа с источниками информации. Доклад на примере фактов из истории биологии: объём 2±1 страница.

4. Применение полученных знаний, умений и навыков для проведения и оформления собственного исследования в виде НИРС, курсовой работы и/или выпускной квалификационной работы.

Определение понятий

Методы исследования - это способы достижения цели исследовательской работы.

Научный метод - это совокупность приёмов и операций, используемых при построении системы научных знаний.

Научный факт - это результат наблюдений и экспериментов, который устанавливает количественные и качественные характеристики объектов.

Методологическая основа научного исследования - это совокупность методов научного познания, используемых для достижения цели данного исследования.

Методы общенаучные, экспериментальные, методологическая основа - .

Современная биология использует объединение методологических подходов, она использует «единство описательно-классифицирующего и объяснительно-номотетического подходов; единство эмпирических исследований с процессом интенсивной теоретизации биологического знания, включающим его формализацию, математизацию и аксиоматизацию» [Ярилин А.А. «Золушка» становится принцессой, или Место биологии в иерархии наук. // «Экология и жизнь» №12, 2008. С. 4-11. С.11].

Задачи методов исследования:

1. «Усиление естественных познавательных способностей человека, а также их расширение и продолжение».

2. «Коммуникативная функция», т.е. посредничество между субъектом и объектом исследования [Аршинов В.И. Синергетика как феномен постнеклассической науки. М.: Ин-т философии РАН, 1999. 203 с. С.18].

Общие методы исследований в биологии

Наблюдение

Наблюдение - это исследование внешних признаков и видимых изменений объекта на протяжении определённого промежутка времени. Например, наблюдение за ростом и развитием проростка.

Наблюдение – это отправной пункт всякого естественнонаучного исследования.

В биологии это особенно хорошо заметно, так как объект её изучения – человек и окружающая его живая природа. Уже в школе на уроках зоологии, ботаники, анатомии детей учат проведению самых простых биологических исследований путём наблюдения за ростом и развитием растений и животных, за состоянием собственного организма.

Наблюдение как метод собирания информации – хронологически самый первый приём исследования, появившийся в арсенале биологии, а точнее, ещё её предшественницы – естественной истории. И это неудивительно, так как наблюдение опирается на чувственные способности человека (ощущение, восприятие, представление). Классическая биология - это биология по преимуществу наблюдательная. Но, тем не менее, этот метод не утратил своего значения и по сей день.

Наблюдения могут быть прямыми или косвенными, они могут вестись с помощью технических приспособлений или без таковых. Так, орнитолог видит птицу в бинокль и может слышать её, а может фиксировать прибором звуки вне слышимого человеческим ухом диапазона. Гистолог наблюдает с помощью микроскопа зафиксированный и окрашенный срез ткани. А для молекулярного биолога наблюдением может быть фиксация изменения концентрации фермента в пробирке.

Важно понимать, что научное наблюдение, в отличие от обыденного, есть не простое, но целенаправленное изучение объектов или явлений: оно ведётся для решения поставленной задачи, и внимание наблюдателя не должно рассеиваться. Например, если стоит задача изучить сезонные миграции птиц, то мы будем замечать сроки их появления в местах гнездования, а не что-либо иное. Таким образом, наблюдение - это избирательное выделение из действительности определенной части , иначе говоря, аспекта, и включение этой части в изучаемую систему.

В наблюдении важна не только точность, аккуратность и активность наблюдателя, но и его непредвзятость, его знания и опыт, правильный выбор технических средств. Постановка задачи предполагает также наличие плана наблюдений, т.е. их планомерность. [Кабакова Д.В. Наблюдение, описание и эксперимент как основные методы биологии // Проблемы и перспективы развития образования: материалы междунар. науч. конф. (г. Пермь, апрель 2011 г.).Т. I. Пермь: Меркурий, 2011. С. 16-19.].

Описательный метод

Описательный метод - это фиксирование наблюдаемых внешних признаков объектов исследования с выделением существенного и отбрасыванием несущественного. Этот метод стоял у истоков биологии, как науки, но ее развитие было бы невозможно без применения других методов исследования.

Описательные методы позволяют вначале описывать, а затем анализировать явления, происходящие в живой природе, сравнивать их, находя определённые закономерности, а также обобщать, открывать новые виды, классы и прочее. Описательные методы начали использоваться ещё в древности, но на сегодняшний день не утратили своей актуальности и широко применяются в ботанике, этологии, зоологии и т. д.

Сравнительный метод

Сравнительный метод - это исследование сходства и различия в строении, протекании жизненных процессов и поведении различных объектов. Например, сравнение особей разного пола, приндлежащих к одному биологическому виду.

Позволяет изучать объекты исследования путём их сравнения между собой или с другим объектом. Позволяет выявлять сходства и различия живых организмов, а также их частей. Полученные данные дают возможность объединять исследованные объекты в группы по признакам сходства в строении и происхождении. На основе сравнительного метода, например, строится систематика растений и животных. Этот метод использовался также при создании клеточной теории и для подтверждения теории эволюции. В настоящее время он применяется практически во всех направлениях биологии.

Этот метод утвердился в биологии в XVIII в. и оказался очень плодотворным в решении многих крупнейших проблем. С помощью этого метода и в сочетании с описательным методом были получены сведения, позволившие в XVIII в. заложить основы систематики растений и животных (К. Линней), а в XIX в. сформулировать клеточную теорию (М. Шлейден и Т. Шванн) и учение об основных типах развития (К. Бэр). Метод широко применялся в XIX в. в обосновании теории эволюции, а также в перестройке ряда биологических наук на основе этой теории. Однако использование этого метода не сопровождалось выходом биологии за пределы описательной науки.
Сравнительный метод широко применяется в разных биологических науках и в наше время. Сравнение приобретает особую ценность тогда, когда невозможно дать определение понятия. Например, с помощью электронного микроскопа часто получают изображения, истинное содержание которых заранее неизвестно. Только сравнение их со светомикроскопическими изображениями позволяет получить желаемые данные.

Исторический метод

Позволяет выявить закономерности образования и развития живых систем, их структур и функций, сопоставлять их с ранее известными фактами. Данный метод, в частности, успешно использовался Ч. Дарвином для построения его эволюционной теории и способствовал превращению биологии из описательной науки в науку объясняющую.

Во второй половине XIX в. благодаря работам Ч. Дарвина исторический метод поставил на научные основы исследование закономерностей появления и развития организмов, становления структуры и функций организмов во времени и пространстве. С введением этого метода в биологии произошли значительные качественные изменения. Исторический метод превратил биологию из науки чисто описательной в науку объясняющую, которая объясняет, как произошли и как функционируют многообразные живые системы. В настоящее время исторический метод, или "исторический подход" стал всеобщим подходом к изучению явлений жизни во всех биологических науках.

Экспериментальный метод

Эксперимент - это проверка верности выдвинутой гипотезы с помощью целенаправленного воздействия на объект.

Эксперимент (опыт) – искусственное создание в контролируемых условиях ситуации, которая помогает выявить глубоко скрытые свойства живых объектов.

Экспериментальный метод исследования явлений природы связан с активным воздействием на них путем проведения опытов (экспериментов) в контролируемых условиях. Этот метод позволяет изучать явления изолированно и достигать повторяемости результатов при воспроизведении тех же условиях. Эксперимент обеспечивает более глубокое, чем другие методы исследования, раскрытие сущности биологических явлений. Именно благодаря экспериментам естествознание в целом и биология частности дошли до открытия основных законов природы.
Экспериментальные методы в биологии служат не только для проведения опытов и получения ответов на интересующие вопросы, но и для определения правильности сформулированной в начале изучения материала гипотезы, а также для её корректировки в процессе работы. В двадцатом столетии данные способы исследования становятся ведущими в этой науке благодаря появлению современного оборудования для проведения опытов, такого как, например, томограф, электронный микроскоп и прочее. В настоящее время в экспериментальной биологии широко используются биохимические приёмы, рентгеноструктурный анализ, хроматография, а также техника ультратонких срезов, различные способы культивирования и многие другие. Экспериментальные методы в сочетании с системным подходом расширили познавательные возможности биологической науки и открыли новые дороги для применения знаний практически во всех сферах деятельности человека.

Вопрос об эксперименте как одной из основ в познании природы, был поставлен ещё в XVII в. английским философом Ф. Бэконом (1561-1626). Его введение в биологию связано с работами В. Гарвея в XVII в. по изучению кровообращения. Однако экспериментальный метод широко вошел в биологию лишь в начале XIX в., причем через физиологию, в которой стали использовать большое количество инструментальных методик, позволявших регистрировать и количественно характе- ризовать приуроченность функций к структуре. Благодаря трудам Ф. Мажанди (1783-1855), Г. Гельмгольца (1821-1894), И.М. Сеченова (1829-1905), а также классиков эксперимента К. Бернара (1813-1878) и И.П. Павлова (1849-1936) физиология, вероятно, первой из биологических наук стала экспериментальной наукой.
Другим направлением, по которому в биологию вошел экспериментальный метод, оказалось изучение наследственности и изменчивости организмов. Здесь главнейшая заслуга принадлежит Г. Менделю, который, в отличие от своих предшественников, использовал эксперимент не только для получения данных об изучаемых явлениях, но и для проверки гипотезы, формулируемой на основе получаемых данных. Работа Г. Менделя явилась классическим образцом методологии экспериментальной науки.

В обосновании экспериментального метода важное значение имели работы, выполненные в микробиологии Л. Пастером (1822-1895), который впервые ввёл эксперимент для изучения брожения и опровержения теории самопроизвольного зарождения микроорганизмов, а затем для разработки вакцинации против инфекционных болезней. Во второй половине XIX в. вслед за Л. Пастером значительный вклад в разработку и обоснование экспериментального метода в микробиологии внесли Р. Кох (1843-1910), Д. Листер (1827-1912), И.И. Мечников (1845-1916), Д.И. Ивановский (1864-1920), С.Н. Виноградский (1856- 1890), М. Бейерник (1851-1931) и др. В XIX в. биология обогатилась также созданием методических основ моделирования, которое является также высшей формой эксперимента. Изобретение Л. Пастером, Р. Кохом и другими микробиологами способов заражения лабораторных животных патогенными микроорганизмами и изучение на них патогенеза инфекционных болезней - это классический пример моделирования, перешедшего в XX в. и дополненного в наше время моделированием не только разных болезней, но и различных жизненных процессов, включая происхождение жизни.
Начиная, например, с 40-х гг. XX в. экспериментальный метод в биологии подвергся значительному усовершенствованию за счет повышения разрешающей способности многих биологических методик и разработки новых экспериментальных приемов. Так, была повышена разрешающая способность генетического анализа, ряда иммунологических методик. В практику исследований были введены культивирование соматических клеток, выделение биохимических мутантов микроорганизмов и соматических клеток и т. д. Экспериментальный метод стал широко обогащаться методами физики и химии, которые оказались исключительно ценными не только в качестве самостоятельных методов, но и в сочетании с биологическими методами. Например, структура и генетическая роль ДНК были выяснены в результате сочетанного использования химических методов выделения ДНК, химических и физических методов определения ее первичной и вторичной структуры и биологических методов (трансформации и генетического анализа бактерий), доказательства ее роли как генетического материала.
В настоящее время экспериментальный метод характеризуется исключительными возможностями в изучении явлений жизни. Эти возможности определяются использованием микроскопии разных видов, включая электронную с техникой ультратонких срезов, биохимических методов, высокоразрешающего генетического анализа, иммунологических методов, разнообразных методов культивирования и прижизненного наблюдения в культурах клеток, тканей и органов, маркировки эмбрионов, оплодотворения в пробирке, метода меченых атомов, рентгеноструктурного анализа, ультрацентрифугирования, спектрофотометрии, хроматографии, электрофореза, секвенирования, конструкции биологически активных рекомбинантных молекул ДНК и т. д. Новое качество, заложенное в экспериментальном методе, вызвало качественные изменения и в моделировании. Наряду с моделированием на уровне органов в настоящее время развивается моделирование на молекулярном и клеточном уровнях.

Метод моделирования

Моделирование основывается на таком приёме, как аналогия - это умозаключение о сходстве объектов в определенном отношении на основе их сходства в ряде иных отношений.

Модель - это упрощённая копия объекта, явления или процесса, заменяющая их в определённых аспектах.

Модель – это то, с чем более удобно работать, то есть то, что легче увидеть, услышать, запомнить, записать, обработать, передать, наследовать, с чем легче экспериментировать, по сравнению с объектом моделирования (прототипом, оригиналом).
Каркищенко Н.Н. Основы биомоделирования . - М.: ВПК, 2005. - 608 с. С. 22.

Моделирование - это, соответственно, создание упрощённой копии объекта, явления или процесса.

Модели́рование:

1) создание упрощённых копий объектов познания;

2) исследование объектов познания на их упрощённых копиях.

Метод моделирования - это исследование свойств определенного объекта посредством изучения свойств другого объекта (модели), более удобного для решения задач исследования и находящегося в определенном соответствии с первым объектом.

Моделирование (в широком смысле) – это основной метод исследования во всех областях знаний. Методы моделирования используются для оценок характеристик сложных систем и принятия научно обоснованных решений в разных сферах человеческой деятельности. Существующую или проектируемую систему можно эффективно исследовать с помощью математических моделей (аналитических и имитационных) с целью оптимизации процесса функционирования системы. Модель системы реализуется на современных компьютерах, которые в этом случае выступают в качестве инструмента экспериментатора с моделью системы.

Моделирование позволяет изучать какой-либо процесс или явление, а также направления эволюции путём воссоздания их в виде более простого объекта при помощи современных технологий и оборудования.

Теория моделирования – теория замещения объекта-оригинала его моделью и исследования свойств объекта на его модели .
Моделирование – метод исследования, основанный на замене исследуемого объекта-оригинала его моделью и на работе с ней (вместо объекта) .
Модель (объекта-оригинала) (от лат. modus – «мера», «объем», «образ») – вспомогательный объект, отражающий наиболее существенные для исследования закономерности, суть, свойства, особенности строения и функционирования объекта-оригинала .
Когда говорят о моделировании, обычно имеют в виду моделирование некоторой системы.
Система – совокупность взаимосвязанных элементов, объединенных для реализации общей цели, обособленная от окружающей среды и взаимодействующая с ней как целостное целое и проявляющая при этом основные системные свойства. В выделено 15 основных системных свойств, к которым относятся: эмергентность (эмерджентность); цельность; структурированность; целостность; подчиненность цели; иерархичность; бесконечность; эргатичность; открытость; необратимость; единство структурной устойчивости и неустойчивости; нелинейность; потенциальная многовариантность актуальных структур; критичность; непредсказуемость в критической области.
При моделировании систем используют два подхода: классический (индуктивный), сложившийся исторически первым, и системный, получивший развитие в последнее время .

Классический подход. Исторически первым сложился классический подход к изучению объекта, моделированию системы. Реальный объект, подлежащий моделированию, разбивается на подсистемы, выбираются исходные данные (Д) для моделирования и ставятся цели (Ц), отражающие отдельные стороны процесса моделирования. По отдельной совокупности исходных данных ставится цель моделирования отдельной стороны функционирования системы, на базе этой цели формируется некоторая компонента (К) будущей модели. Совокупность компонент объединяется в модель.
Т.о. происходит суммирование компонент, каждая компонента решает свои собственные задачи и изолирована от других частей модели. Применим подход только для простых систем, где можно не учитывать взаимосвязи между компонентами. Можно отметить две отличительные стороны классического подхода: 1) наблюдается движение от частного к общему при создании модели; 2) созданная модель (система) образуется путем суммирования отдельных ее компонент и не учитывает возникновение нового системного эффекта.

Системный подход – методологическая концепция, основанная на стремлении построить целостную картину изучаемого объекта с учетом важных для решаемой задачи элементов объекта, связей между ними и внешних связей с другими объектами и окружающей средой. С усложнением объектов моделирования возникла необходимость их наблюдения с более высокого уровня. В этом случае разработчик рассматривает данную систему как некоторую подсистему более высокого ранга. Например, если ставится задача проектирования АСУ предприятия, то с позиции системного подхода нельзя забывать, что эта система является составной частью АСУ объединением. В основе системного подхода лежит рассмотрение системы как интегрированного целого, причем это рассмотрение при разработке начинается с главного – формулировки цели функционирования. Важным для системного подхода является определение структуры системы – совокупности связей между элементами системы, отражающих их взаимодействие.

Существуют структурные и функциональные подходы к исследованию структуры системы и ее свойств.

При структурном подходе выявляются состав выделенных элементов системы и связи между ними.

При функциональном подходе рассматриваются алгоритмы поведения системы (функции – свойства, приводящие к достижению цели).

Виды моделирования

1. Предметное моделирование , при котором модель воспроизводит геометрические, физические, динамические или функциональные характеристики объекта. Например, модель моста, плотины, модель крыла
самолета и т.д.
2. Аналоговое моделирование , при котором модель и оригинал описываются единым математическим соотношением. Примером могут служить электрические модели, используемые для изучения механических, гидродинамических и акустических явлений.
3. Знаковое моделирование , при котором в роли моделей выступают схемы, чертежи, формулы. Роль знаковых моделей особенно возросла с расширением масштабов применения ЭВМ при построении знаковых моделей.
4. Со знаковым тесно связано мысленное моделирование , при котором модели приобретают мысленно наглядный характер. Примером может в данном случае служить модель атома, предложенная в свое время Бором.
5. Модельный эксперимент. Наконец, особым видом моделирования является включение в эксперимент не самого объекта, а его модели, в силу чего последний приобретает характер модельного эксперимента. Этот вид моделирования свидетельствует о том, что нет жесткой грани между методами эмпирического и теоретического познания.
С моделированием органически связана идеализация - мысленное конструирование понятий, теорий об объектах, не существующих и не осуществимых в действительности, но таких, для которых существует близкий прообраз или аналог в реальном мире. Примерами построенных этим методом идеальных объектов являются геометрические понятия точки, линии, плоскости и т.д. С подобного рода идеальными объектами оперируют все науки - идеальный газ, абсолютно черное тело, общественно-экономическая формация, государство и т.д.

Методы моделирования

1. Натурное моделирование – эксперимент на самом исследуемом объекте, который при специально подобранных условиях опыта служит моделью самого себя.
2. Физическое моделирование – эксперимент на специальныхустановках, сохраняющих природу явлений, но воспроизводящих явления в количественно измененном масштабированном виде.
3. Математическое моделирование – использование моделей пофизической природе, отличающихся от моделируемых объектов, ноимеющих сходное математическое описание. Натурное и физическоемоделирование можно объединить в один класс моделей физического подобия, так как в обоих случаях модель и оригинал одинаковы пофизической природе.

Методы моделирования можно классифицировать на три основные группы: аналитические, численные и имитационные .

1. Аналитические методы моделирования. Аналитические методы позволяют получить характеристики системы как некоторые функции параметров ее функционирования. Таким образом, аналитическая модель представляет собой систему уравнений, при решении которой получают параметры, необходимые для расчета выходных характеристик системы (среднее время обработки задания, пропускную способность и т.д.). Аналитические методы дают точные значения характеристик системы, но применяются для решения только узкого класса задач. Причины этого заключается в следующем. Во-первых, вследствие сложности большинства реальных систем их законченное математическое описание (модель) либо не существует, либо еще не разработаны аналитические методы решения созданной математической модели. Во-вторых, при выводе формул, на которых основываются аналитические методы, принимаются определенные допущения, которые не всегда соответствуют реальной системе. В этом случае от применения аналитических методов приходится отказываться.

2. Численные методы моделирования. Численные методы предполагают преобразование модели к уравнениям, решение которых возможно методами вычислительной математики. Класс задач, решаемых этими методами, значительно шире. В результате применения численных методов получают приближенные значения (оценки) выходных характеристик системы с заданной точностью.

3. Имитационные методы моделирования. С развитием вычислительной техники широкое применение получили имитационные методы моделирования для анализа систем, преобладающими в которых являются стохастические воздействия.
Суть имитационного моделирования (ИМ) заключается в имитации процесса функционирования системы во времени, с соблюдением таких же соотношений длительности операций как в системе оригинале. При этом имитируются элементарные явления, составляющие процесс, сохраняется их логическая структура, последовательность протекания во времени. В результате применения ИМ получают оценки выходных характеристик системы, которые необходимы при решении задач анализа, управления и проектирования.

В биологии, например, можно построить модель состояния жизни в водоеме через некоторое время при изменении одного, двух или более параметров (температуры, концентрации солей, наличия хищников и др.). Такие приемы стали возможны благодаря проникновению в биологию идей и принципов кибернетики - науки об управлении.

В основу классификации видов моделирования можно положить различные признаки . В зависимости от характера изучаемых процессов в системе моделирование может быть разделено на детерминированное и стохастическое; статическое и динамическое; дискретное и непрерывное.
Детерминированное моделирование применяется для исследования систем, поведение которых можно абсолютно точно предвидеть. Например, путь, пройденный автомобилем, при равноускоренном движении в идеальных условиях; устройство, возводящее в квадрат число и т.п. Соответственно в этих системах протекает детерминированный процесс, который адекватно описывается детерминированной моделью.

Стохастическое (теоретико-вероятностное) моделирование применяется для исследования системы, состояние которой зависит не только от контролируемых, но и от неконтролируемых воздействий или в ней самой есть источник случайности. К стохастическим системам относятся все системы, которые включают человека, например, заводы, аэропорты, вычислительные системы и сети, магазины, предприятия бытового обслуживания и т.п.
Статическое моделирование служит для описания систем в какой-либо момент времени.

Динамическое моделирование отражает изменение системы во времени (выходные характеристики системы в данный момент времени определяются характером входных воздействий в прошлом и настоящем). Примером динамических систем являются биологические, экономические, социальные системы; такие искусственные системы как завод, предприятие, поточная линия и т.п.
Дискретное моделирование применяют для исследования систем, в которых входные и выходные характеристики измеряется или изменяется во времени дискретно, в противном случае применяют непрерывное моделирование. Например, электронные часы, электросчетчик – дискретные системы; солнечные часы, нагревательные приборы – непрерывные системы.
В зависимости от формы представления объекта (системы) можно выделить мысленное и реальное моделирование.
При реальном (натурном) моделировании исследование характеристик системы проводится на реальном объекте, либо на его части. Реальное моделирование – наиболее адекватно, но его возможности, с учетом особенностей реальных объектов, ограничены. Например, проведение реального моделирования с АСУ предприятия требует, во-первых, создания АСУ; во-вторых, проведения экспериментов с предприятием, что невозможно. К реальному моделированию относят производственный эксперимент и комплексные испытания, которые обладают высокой степенью достоверности. Другой вид реального моделирования – физическое. При физическом моделировании исследование проводится на установках, которые сохраняют природу явления и обладают физическим подобием.
Мысленное моделирование применяется для моделирования систем, которые практически не реализуемы на заданном интервале времени. В основе мысленного моделирования лежит создание идеальной модели, основанной на идеальной, мыслительной аналогии. Различают два вида мысленного моделирования: образное (наглядное) и знаковое.
При образном моделировании на базе представлений человека о реальных объектах создаются различные наглядные модели, отображающие явления и процессы, протекающие в объекте. Например, модели частиц газов в кинетической теории газов в виде упругих шаров, воздействующих друг на друга во время столкновения.
При знаковом моделировании описывают моделируемую систему с помощью условных знаков, символов, в частности, в виде математических, физических и химических формул. Наиболее мощный и развитый класс знаковых моделей представляют математические модели.
Математическая модель – это искусственно созданный объект в виде математических, знаковых формул, который отображает и воспроизводит структуру, свойства, взаимосвязи и отношения между элементами исследуемого объекта . Далее рассматриваются только математические модели и соответственно математическое моделирование.
Математическое моделирование – метод исследования, основанный на замене исследуемого объекта-оригинала его математической моделью и на работе с ней (вместо объекта) . Математическое моделирование можно разделить на аналитическое (АМ) , имитационное (ИМ) , комбинированное (КМ) .
При АМ создается аналитическая модель объекта в виде алгебраических, дифференциальных, конечно-разностных уравнений. Аналитическая модель исследуется либо аналитическими методами, либо численными методами.
При ИМ создается имитационная модель, используется метод статистического моделирования для реализации имитационной модели на компьютере.
При КМ проводится декомпозиция процесса функционирования системы на подпроцессы. Для тех из них, где это возможно, используют аналитические методы, в противном случае – имитационные.

Список литературы

1. Айвазян С.А., Енюков И.С., Мешалкин Л.Д. Прикладная статистика: Основы моделирования и первичная обработка данных. – М.: «Финансы и статистика», 1983. – 471 с.
2. Альсова О.К. Моделирование систем (часть 1): Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Моделирование» для студентов III - IV курсов АВТФ. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. – 68с. Моделирование систем (часть 2): Методические указания к лабораторным работам по дисциплине "Моделирование" для студентов III - IV курсов АВТФ. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007. – 35 с.
3. Альсова О.К. Моделирование систем: учеб. пособие/О.К. Альсова. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007 - 72 с.
4. Боровиков В.П. Statistica 5.0. Искусство анализа данных на компьютере: Для профессионалов. 2-е изд. – СПб.: Питер, 2003. – 688 с.
5. Вентцель Е.С. Исследование операций. – М.: Высшая школа, 2000. – 550 с.
6. Губарев В.В. Вероятностные модели / Новосиб. электротехн. ин-т. – Новосибирск, 1992. – Ч.1. – 198 с; Ч.2. – 188 с.
7. Губарев В.В. Системный анализ в экспериментальных исследованиях. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000. – 99 с.
8. Денисов А.А., Колесников Д.Н. Теория больших систем управления: Учеб. пособие для вузов. – Л. Энергоиздат, 1982. – 288 с.
9. Дрейпер Н., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ. – М.: Статистика, 1973.
10. Карпов Ю. Имитационное моделирование систем. Введение в моделирование с AnyLogic 5. – СПб.: БХВ-Петрбург, 2005. – 400 с.
11. Кельтон В., Лоу А. Имитационное моделирование. Классика CS . 3-е изд. – СПб.: Питер; Киев: 2004. – 847 с.
12. Лемешко Б.Ю., Постовалов С.Н. Компьютерные технологии анализа данных и исследования статистических закономерностей: Учеб. пособие. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. – 120 с.
13. Моделирование систем. Практикум: Учеб. пособие для вузов/Б.Я. Советов, С.А. Яковлев. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 2003. – 295 с.
14. Рыжиков Ю.И. Имитационное моделирование. Теория и технологии. – СПб.: КОРОНА принт; М.: Альтекс-А, 2004. – 384 с.
15. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем (3-е изд.). – М.: Высшая школа, 2001. – 420 с.
16. Теория случайных процессов и ее инженерные приложения: Учеб. пособие для вузов/Е.С. Вентцель, Л.А. Овчаров. – 3-е изд. перераб. и доп. – М.: Издательский центр «Академия», 2003. – 432 с.
17. Томашевский В., Жданова Е. Имитационное моделирование в среде GPSS . – М.: Бестселлер, 2003. – 416 с.
18. Хачатурова С.М. Математические методы системного анализа: Учеб. пособие.–Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. – 124 с.
19. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем – искусство и наука. – М.: Мир, 1978.
20. Шрайбер Т.Дж. Моделирование на GPSS . – М.: Машиностроение, 1980. – 593 с.
21. Арсеньев Б.П., Яковлев С.А. Интеграция распределенных баз данных. – Спб.: Лань, 2001. - 420 с.