Проблемные задачи в школьном курсе биологии

Н.Б. Голицына, г. Петрозаводск

Как изменить обучение школьников биологии, чтобы оно не подавляло, а опиралось на данное человеку природой естественное стремление познавать мир, в котором он живет? Как окутанное дымкой непостижимости академическое знание сделать доступным, понятным, полезным каждому ученику? Хороший результат дает вовлечение самих учеников в процесс построения знания.

Большинство известных биологических задач основываются на интересных особенностях отдельных видов организмов, на возможности их использования человеком. Их удобно применять для закрепления материала, для повышения интереса к предмету.

Гораздо меньше примеров рассмотрения крупных «изобретений» природы (ароморфозов) в качестве учебной задачи. Чем отличаются при всем своем многообразии грибы от растений, рептилии от земноводных, папоротники ото мхов и т.д.? Ответ в готовом виде есть в каждом учебнике. Собственно, эти описания и составляют содержание крупного раздела – «Многообразие живых организмов». Но учениками лучше присваивается не готовая «чужая» информация, а результат собственных рассуждений. Поэтому составление характеристики очередной систематической группы живых организмов предлагаем сводить к решению ряда биологических задач. Основываемся на том, что современная система органического
мира отражает научные представления об эволюционном развитии. Это означает, что для классификации, то есть для определения места в общей системе, учитываются

  • степень сходства или различий организмов, групп организмов;
  • одственные связи между ними.

Выделяются существенные для систематики признаки, по которым конкретный объект определяется в свою «ячейку» – таксономическую группу (рис.1).

Необходимость исторического изменения внешнего и внутреннего устройства живых организмов связана с тем, что среда, которая определяет условия и обеспечивает ресурсы жизни, постоянно меняется. Как писал Льюис Кэрролл, надо бежать, чтобы оставаться на месте. Чтобы выжить, надо меняться. Изменения могут быть значительными, принципиальными.

Такие изменения, согласованные с другими признаками, делают возможным освоение новой среды жизни (например, легочное дыхание у древних водных организмов) или существенно повышают эффективность использования ресурсов (например, появление теплокровности).

Биологи приспособления такого уровня называют ароморфозами. С позиций ОТСМ-ТРИЗ их можно оценить как решения движущих противоречий (Хоменко Н.Н.) Ученики подводятся к необходимости «переизобретения» биологических приспособлений на уровне ароморфозов.

Пример 1

Использование проблемной ситуации в учебной теме: «Характеристика класса земноводных»

Переформулируем тему: «Как рыбы осваивали сушу?»

Рыбы – водные существа. Освоив все жизненные ресурсы своей среды, они высадили десант на сушу. С какими проблемами столкнулись эти первопроходцы?

Ситуация всем понятна, перечень проблем легко выстраивается:

  • Пересыхание кожных покровов, жабр, слизистой глаз;
  • Дыхание в новой среде;
  • Утяжеление тела из-за отсутствия силы Архимеда;
  • Изменение способа передвижения;
  • Необходимость смачивания пищи;
  • Изменение способа размножения.

Таблица 1

Проблемы, с которыми сталкиваются водные животные, осваивая наземно-воздушную среду жизни
Варианты решения проблем – признаки нового класса

Пересыхание

 
-кожных покровов

-наличие большого количества
слизистых желез в коже

-жабр

-исчезновение жабр

-слизистой глаз

-появление слезных желез и
подвижных век

Дыхание в новой среде

замена жаберного дыхания на кожно-легочное

 

Утяжеление тела из-за ослабления выталкивающего действия силы Архимеда

 

укрепление скелета и, в том
числе, конечностей

Необходимость изменения способа передвижения

 

появление двух пар суставных конечностей

Необходимость
смачивания пищи

появление слюнных желез

 

Необходимость изменения способа размножения

 

НЕ ИЗМЕНИЛСЯ

 

Признаки класса земноводных выводятся как решения обозначенных проблем. Появление у этой группы животных тонкой кожи со слизистыми железами, легких, суставных конечностей, слюнных и слезных желез, укрепление скелета по сравнению с рыбами и некоторые другие особенности становятся логически обоснованными и легко запоминаются. Амфибии не справились с одной существенной задачей – размножением вне воды. Природа остановилась на компромиссном варианте: жизнь взрослых животных протекает на суше, а размножение и развитие – в воде. Что, собственно, и определило название класса – Земноводные.

Нерешенная проблема размножения вне воды составляет интригу, которая позволяет перекинуть мостик к рассмотрению следующего класса, – Пресмыкающихся.

Пример 2

Размножение пресмыкающихся

Пресмыкающиеся – это животные, которые смогли перейти к размножению на суше. Их эволюционные предшественники рыбы и амфибии откладывают икру в воду. В воде происходит ее оплодотворение и развитие зародыша.

Как должна была измениться икринка, чтобы зародыш успешно развивался в наземных условиях?

Такая постановка вопроса заставляет вернуться к недавно изученному материалу по теме «Рыбы» и уточнить, до этого казавшееся понятным, представление о строении икры.

Главная функция икринки – создание условий для сохранения и развития зародыша. Это предполагает обеспечение питания, дыхания, выделения ненужных веществ, а также защиту от высыхания и опасных внешних воздействий.

Становится очевидной зависимость строения от функции, условий и ресурсов. Далее меняем условия и ресурсы при неизменной функции и рассматриваем возможные варианты изменения строения. В результате «рождается» яйцо!

Таблица 2

Функции Обеспечение условий для сохранения и развития зиготы в зародыше:
- защита от высыхания и внешних воздействий
- питание
- дыхание
- выделение
Было Стало
Условия, ресурсы водная среда,
организм матери
наземно-воздушная среда,
организм матери
Структуры Икринка:
зигота, желточный мешок, студенистая оболочка, через которую происходит газообмен, выведение продуктов метаболизма

Яйцо:
снаружи известковая или кожистая скорлупа, зигота в мешочке с жидкостью (амнион), желточный мешок, воздушная полость, мешочек для сбора продуктов обмена (аллантоис).

Пример 3

Эволюция дыхательной системы животных

Постановка этой задачи требует предварительных пояснений.

Зачем мы дышим?

Этот, примитивный на первый взгляд, вопрос очень быстро приводит в тупик: дышим, чтобы жить! Почему-то необходимо, чтобы кислород поступал в кровь, кровь переносила кислород ко всем клеткам тела и забирала из них углекислый газ, который потом выдыхается. Зачем? Ответ кроется на клеточномолекулярном уровне. Клетка имеет необходимое «оборудование» для преобразования энергии химических связей.

Таким образом, дыхание – не просто «вдох-выдох». Это процесс, который происходит на клеточно-молекулярном уровне. Для бесперебойной выработки энергии требуется постоянное поступление в клетку кислорода (существуют и бескислородные технологии) и отведение ненужного отхода – углекислого газа. Система органов, которую принято называть «дыхательной», в сущности – система для обеспечения газообмена. Таким образом, рассмотрение эволюции дыхательной системы сводится к вопросу: как и почему менялись структуры, обеспечивающие газообмен у животных?

Газообмен с окружающей средой происходит через поверхность. Для этого поверхность должна быть тонкой, влажной и достаточно большой:

  • тонкой – так как кислород и углекислый газ перемещаются через покровы диффузно (диффузия эффективна на расстоянии не более 1 см);
  • влажной – так как кислород и углекислый газ перемещаются только в растворенном виде;
  • большой – чем больше поверхность, тем быстрее осуществиться диффузия.

Размер поверхности организма оценивается относительно его объема. Наблюдается на первый взгляд парадоксальный эффект: по мере увеличения размеров организма, относительная площадь поверхности уменьшается!

S1 < S2 , но S2 /V2 > S1 /V1

У мелких организмов отношение площади поверхности к объему достаточно для эффективного газообмена. Так, у простейших, кишечнополостных, плоских, круглых и многих кольчатых червей газообмен происходит через покровы тела. Специализированных органоидов или органов нет.

У более крупных организмов относительная площадь поверхности уменьшается. Но для эффективного газообмена соотношение площади поверхности к объему должно сохраняться.

Задача 1

Как должна измениться поверхность, чтобы при общем увеличении размера объекта, ее относительная площадь не уменьшалась?

Противоречие

Ответ

Задача 2

Какой должна быть поверхность, чтобы служить организму защитой и при этом осуществлять газообмен?

Противоречие

Ответ

Задача 3

Как должна измениться поверхность, обеспечивающая газообмен у наземно-воздушных обитателей?

Противоречие

Ответ

После независимого конструирования газообменных поверхностей знакомим учеников с приспособлениями организмов, появившимися в результате эволюции живой природы (Грин Н., Стаут У., Тейлор Д., 1993).

Проблемная ситуация или проблемная задача?

На наш взгляд неоправданно чрезмерное увлечение задачами на этапе рассмотрения нового содержания. В каких-то обстоятельствах бывает достаточно посмотреть на материал под другим углом зрения, то есть обозначить проблемную ситуацию, и уже это пробуждает интерес. Важно, чтобы смысл не терялся за новыми или не совсем понятными специальными терминами. Ситуация должна быть описана образным разговорным языком, чтобы сущность проблемы стала доступной каждому. Ощущение доступности подталкивает к участию в обсуждении и обращению к собственному опыту, впечатлениям, полученной ранее информации. Создается атмосфера, способствующая осмыслению нового знания.

В первом из приведенных примерах проблемная ситуация высвечивает сразу несколько задач, ответы на которые очевидны. Поэтому мы окунаемся в ситуацию, снимаем с ходу варианты решений и сопоставляем их с «природными изобретениями».

Во втором примере рассматривается одно «изобретение» – яйцо. Здесь требуется определенная подготовка к выявлению задач и их формулировке. Выстраивается цепь рассуждений:

  • для защиты зародыша от высыхания в воздушной среде появляется непроницаемая для испарения воды скорлупа;
  • чем выше непроницаемость скорлупы для испарения, тем лучше, но какие при этом возникают негативные следствия?
  • через непроницаемую скорлупу становиться невозможным:
    • газообмен для дыхания,
    • поступление питательных веществ,
    • выведение продуктов метаболизма.

На этом этапе почва для понимания особенностей устройства яйца рептилий и птиц подготовлена.

Выявленные противоречия можно положить в основу изобретательских задач:

  1. Как осуществлять газообмен, если яйцо покрыто непроницаемой скорлупой?
  2. Как осуществлять поступление питательных веществ, если яйцо покрыто непроницаемой скорлупой?
  3. Как осуществлять выведение продуктов метаболизма, если яйцо покрыто непроницаемой скорлупой?

Вопросы висят в воздухе, на них сконцентрировано внимание. Следующий шаг зависит от конкретной ситуации и выбирается учителем:

  • объяснение дает учитель;
  • ученикам предлагается найти ответ в учебнике;
  • ученикам предлагается самим изобрести приспособления, а затем сравнить их с «изобретениями» Природы.

Таблица 3

Как проникают через непроницаемую скорлупу: Особенности строения яйца:
воздух наличие в скорлупе пор, наличие подскорлуповой воздушной камеры
питательные вещества невозможность поступления извне через скорлупу компенсируется запасом питательных веществ в желточном мешке
продукты метаболизма невозможность выведения наружу через скорлупу компенсируется наличием пузыря для сбора жидких продуктов обмена – аллантоиса.

Третий пример показывает, какую серьезную подготовительную работу учителю следует провести, чтобы «вытащить» группу задач, решение которых доступно школьнику. В рассматриваемой теме «Эволюция дыхательной системы» необходимо убедиться в том, что ученики знают, что такое диффузия, видят различия между абсолютной и относительной площадью поверхности. В зависимости от уровня и профильной направленности подготовки школьников для активизации этих знаний используются различные подходы.

Для того, чтобы выявить эффект уменьшения относительной площади поверхности по мере увеличения размера объекта в физико-математическом классе можно предложить расчетную задачу: построить график зависимости относительной площади поверхности шара от его радиуса. А в гуманитарном классе можно рассмотреть ситуативную задачу: если требуется быстро почистить кастрюлю картошки, ты выберешь крупную или мелкую картошку? Руки и без абстрактных расчетов «помнят», что быстрее.

Представление учебного материала в виде проблемных ситуаций или проблемных задач требует от учителя немалых усилий, но создает среду, в которой учащиеся включаются в процесс построения знания.