ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ "ПЕРВОГО СЕНТЯБРЯ"

БУХВАЛОВ В.А.

Развитие творческих способностей учащихся на уроках биологии

c применением элементов теории решения изобретательских задач (ТРИЗ)

Учебный план курса

Лекция 3. Развитие теоретического мышления учащихся

Теоретическое мышление

Когда-то выдающийся российский педагог Кон-стантин Дмитриевич Ушинский задавал своим ученикам простой вроде бы вопрос: «Кто видел лошадь?» Дети уверенно отвечали, что лошадь они видели, но Ушинский допытывался, какую лошадь они видели? Дети отвечали, что видели серую, гнедую, черную лошадь. Однако педагог спрашивал, кто из них видел лошадь вообще? Оказалось, что лошадь вообще никто не видел.

Ерунда какая-то, скажете вы. Делать Ушинскому было нечего, вот и развлекался, задавая детям бессмысленные вопросы. На самом деле, такие во-просы есть не что иное, как элементарная проверка понятийной (теоретической) культуры личности. Правильный ответ на этот вроде бы бесхитростный вопрос звучит так: «Учитель, о какой конкретно лошади вы спрашиваете, ведь просто лошадь, не имеющая конкретных признаков, в природе не существует, это не что иное, как теоретическое обобщение, которое существует исключительно в нашем сознании».

Умение обобщать, выделять абстрактное, переходить от конкретного к абстрактному и от него обратно, к конкретному, и проверял Ушинский. Говоря современным педагогическим языком, педагог определял уровень развития теоретического мышления учащихся. Ушинский, как, наверное, никто другой в его время, придавал первостепенное значение развитию мышления учащихся и первым высказал идею о том, что знания не могут быть целью учебного процесса, а служат лишь средством для развития теоретического и эмпирического мышления учащихся.

Действительно, в чем ценность знания фактов, закономерностей, теорий? Если человек знает, что, например, питание растений осуществляется двумя способами, воздушным и минеральным, то в чем для него ценность этого знания, помимо эрудированности? В жизни встречается немало «ходячих энциклопедий», которые толком так ничего и не сделали и ничего не добились. Хотя эрудиция этих людей поражает – они знают столько подробностей во многих сферах, – просто диву даешься, как они не совершили великих открытий, не написали что-то вроде «Евгения Онегина» и даже мост через Берингов пролив не спроектировали? Оказывается, сложное всегда имеет простое объяснение.

У людей с широкой эрудицией часто недостаточно развито теоретическое мышление – связать факты с теориями для преобразования и применения последних в реальных жизненных ситуациях они не могут или не хотят. Крайне редко жизненные обстоятельства мешали самореализации этих людей. Ведь жизненные обстоятельства ни для кого, за редким исключением, не бывают сплошь благоприятными.

Но вернемся к способам питания растений – в чем же ценность этих знаний? Сами по себе эти знания, даже достаточно глубокие, особой ценности не представляют, но умение, а еще лучше навык применять их на практике для планирования агротехнических мероприятий на полях, огородах и в тепли-цах – позволяет получать высокие урожаи.

Для сравнения приведем пример из литературы. В чем ценность знания сюжета литературного произведения, кроме эрудированности? И ответить нечего. Другое дело, если сюжет используется как пример того, как надо или не надо планировать свое поведение, давать оценку своим поступкам и поступкам других людей. В этом случае литература выполняет свою нравственно-воспитательную функцию. Однако вопрос в другом: достаточно ли заучивания и воспроизведения информации для развития теоретического мышления? Спросим словами ученика: «Ну, выучил я про мух, что теперь с этим делать?»

Важнейшая развивающая задача уроков – формирование теоретического мышления учащихся. Любая наука, в том числе биология, включает в себя закономерности, законы и теории, а также методы познания. Изучение теории не может и не должно ограничиваться только процессом ее запоминания и воспроизведения. Теоретическая информация должна использоваться для анализа различных практических ситуаций, решения проблем и выдвижения гипотез, наконец, сравнения с новыми фактами, полученными в результате открытий или научных исследований. Цель такой работы заключается в том, чтобы научить ученика мыслить теоретическими категориями. Мыслить фактами невозможно, ибо мышление человека есть процесс оперирования понятиями, каждое из которых представляет собой собирательный, обобщенный образ объекта или процесса. Вот почему Ушинский задавал своим ученикам вопрос о лошади вообще – он пытался понять, есть ли в сознании учеников обобщенный образ лошади и, следовательно, могут ли они мыслить, используя этот образ.

Возникают вопросы: а зачем нужно детей учить мыслить теоретически и возможно ли это в школе? Как известно, в «Библии» сказано, что вначале было слово. Но не уточняется, где оно появилось. Любое слово рождается как образ, идея, мысль. Развитие общества осуществляется на основе новых идей. Но чтобы создать, придумать новую идею, необходимо, во-первых, владеть имеющимися идеями, во-вторых, уметь их преобразовывать мысленно с учетом вновь появляющейся информации и оформлять доказательную базу для полученных преобразований.

Мы желаем развивать творческие способности учащихся? Прежде всего, мы должны понимать, что творческие способности определяются уровнем развития теоретического мышления и, следовательно, фактологические знания на уроках должны быть средством для анализа, оценки и преобразований теоретической информации. Большая беда наших учебников заключается в том, что в них приведены факты, которые строго подтверждают теорию; фактов, которые противоречат теории, в учебниках практически нет, как нет и альтернативных гипотез.

Основной постулат науки и практики развития теоретического мышления должен быть простым: всё подвергай сомнению. Только в этом случае есть шансы на успех в научной деятельности, как, впрочем, и в любой другой. Генеральная задача педагога как раз и заключается в том, чтобы научить детей приемам и методам анализа теории в сравнении с фактами и гипотезами. Это и есть методика реализации сомнений.

Подведем некоторые итоги. Понятийная, или теоретическая, культура личности представляет собой комплекс знаний и умений, включающий в себя:

– знание истории создания и формулировки закономерности, закона, теории;
– умение применять теорию для анализа ситуаций, находить ограничения в ее применении – видеть «белые пятна» науки, формулировать проблемы и гипотезы по развитию теории;
– умение преобразовывать теорию с учетом новых фактов, планировать и проводить исследования по проверке гипотез, полученных в результате преобразований.

Изложенные пункты представляют собой основные методические направления работы с биологическими понятиями на уроках и дома.

Структура и иерархия понятий

Понятие, как известно, есть форма мышления. Мыслим мы образами, а не словами. Мысль представляет собой совокупный образ объекта или процесса, который мы изменяем или дополняем. Какова структура понятия? Понятие есть совокупность существенных признаков изучаемой системы – тела, вещества, процесса, явления (элемент процесса). Существенные признаки – это признаки, характерные для данной системы (т.е. достаточные для ее описания).

Иерархия понятий включает в себя закономерности, законы, теории. Закономерности – это общие правила структурной организации и (или) функционирования отдельных групп живых организмов. Например, закономерности строения и жизнедеятельности растений. Законы – это общие правила структуры и (или) функционирования всей живой природы. Законы наследственности и изменчивости, законы экологии, закон Геккеля–Мюллера. Теории – это совокупность закономерностей для структуры и (или) функционирования живой природы. Например, клеточная теория, теория эволюции.

Так, например, биологические закономерности делятся на две большие группы: закономерности строения и закономерности жизнедеятельности организмов и их сообществ. Курс биологии основной школы в 5–9-х классах – это изучение закономерностей строения и жизнедеятельности основных царств живой природы, систематики и элементарных сведений по экологии и теории эволюции.

Методика работы с понятиями в основной школе

При обучении биологии в школе чаще всего используются готовые формулировки понятий, заимствованные из учебников и не имеющие четких связей со всей информацией по изучаемой теме. Учащиеся узнают из учебника или рассказа учителя об особенностях строения и жизнедеятельности, например, бактерий, а определение понятия «бактерия» в одних случаях не приводится, в других – носит формальный характер («перепишите из учебника» или «давайте вместе составим»).

Иногда такие формулировки носят примитивный и далекий от научного содержания характер. Пример одной из таких формулировок: «Бактерии – это одноклеточные живые существа, микроскопически малых размеров». Однако под это определение попадают и простейшие, и одноклеточные водоросли. Поэтому первая, и весьма важная, задача работы с понятиями – выделение существенных признаков понятия.

Можно рассказать детям о строении и жизнедеятельности бактерий, можно предложить им самостоятельно изучить материалы учебника по этим вопросам и составить конспект, но это лишь первая часть работы. Здесь работает и развивается эмпирическое мышление учащихся. Вторая часть рабо-
ты – это выделение по материалам конспекта существенных признаков, т.е. признаков, присущих исключительно бактериям, и формулирование определения понятия. Предварительно учитель объясняет, что определение понятия должно включать в себя две части. Первая указывает на принадлежность к общей группе живых организмов, вторая включает перечень существенных признаков, отличающий данную группу от других.

Формулировка понятия «бактерии» будет выглядеть следующим образом: «Бактерии – это одноклеточные организмы, не имеющие оформленного ядра, которые при неблагоприятных условиях могут образовывать плотную защитную оболочку (споры)». Умение определять общее и особенное, характерное только для данной группы живых организмов, есть первый шаг в развитии теоретического мышления.

При дальнейшей работе по теме учащимся необходимо предлагать задания на сравнение новой информации с определением понятия «бактерии». Например, бактерии можно разделить на группы по разным признакам: сапрофиты и паразиты, молочнокислые, маслянокислые, клубеньковые, почвенные бактерии, бактерии гниения. Следует ли внести дополнения в определение понятия, исходя из вновь изученной информации? Если да – почему? Если нет – тоже почему? Решения биологических проблем в виде гипотез также сопо-ставляются с определением понятия на предмет его возможных изменений и дополнений.

Что дает такая работа? Она не только формирует теоретическое мышление учащихся – умение видеть образ бактерии вообще, но и развивает память за счет организации процесса непроизвольного запоминания. Произвольное запоминание осуществляется усилием воли, часто представляет собой зубрежку, если учитель не обучает детей правилам запоминания. Непроизвольное запоминание – это процесс по-стоянного воспроизведения информации, которую необходимо запомнить, используя ее для анализа различных ситуаций. Допустим, мы решаем проблему: какими способами можно повысить содержание белка в клубеньковых растениях. В корнях клубеньковых растений находятся скопления бактерий, усваивающие азот из воздуха. Чем больше азота они усвоят, тем больше белка будет в семенах растения, например, фасоли или бобов. Как усилить этот процесс? Проблему можно решать с применением вещественно-полевого анализа, используя для формулирования гипотез ту же таблицу, что и в предыдущей лекции.

Составляем модель проблемы (нужна для оценки ресурсов возможных изменений):

растения\бактерии\окружающая среда.

Решение проблемы возможно за счет ресурсов растений, бактерий и окружающей среды и предполагает поиск гипотез по двум направлениям – изменение условий роста растений через изменения в окружающей среде и изменение условий жизнедеятельности бактерий, опять через изменение условий окружающей среды.

Варианты гипотез:

1) повышать температуру воздуха в теплицах, создавать крупные теплицы, увеличить насыщение почвы воздухом;
2) отрегулировать минеральное и воздушное питание растений, вводить с поливом специальные вещества, активизирующие работу бактерий;
3) провести опыты по стимуляции работы бактерий с помощью электрического тока и электромагнитного поля, в случае успеха использовать эти процессы в теплицах;
4) проверить возможность применения музыки и звуковых колебаний для ускорения процесса синтеза белка;
5) изменить режим освещения растений.

Когда работа над гипотезами заканчивается, учитель предлагает сравнить материалы конспекта о строении и жизнедеятельности бактерий с гипотезами. Вопрос первый: есть ли между ними противоречия? Если есть, то в чем? Появились ли какие-либо дополнительные данные, которые мы можем внести в конспект и формулировку понятия? Какие новые исследования можно предложить по изучению жизнедеятельности бактерий на основе полученных гипотез? Какие обобщения можно сделать на основе полученных гипотез?

Подобный подход развивает знание, а также эмпирическое мышление учащихся о конкретных способах воздействия на жизнедеятельность бактерий и растений. Наряду с этим, сопоставление гипотез с конспектом и формулировкой понятия «бактерии» позволяет развивать теоретическое мышление учеников за счет формулирования обобщений, как возможных дополнений к определению понятия.

Рекомендуется и другой подход, когда формулирование понятия выполняют сами ученики, работая в группах. Этот подход желателен после того, как дети уже овладели элементарными приемами работы с понятиями. Например, при изучении тканей растений возможна самостоятельная практическая работа по изучению поперечного разреза ветки липы, составлению схемы тканевого строения и таблицы общих или существенных признаков разных тканей. Учебная задача в данном случае формулируется учителем как составление определения ткани путем выделения существенных признаков растительных тканей. Заполнив таблицу строения тканей, ученики выделяют существенные признаки тканей – группы клеток, сходство строения, различия по месту расположения – и делают предположения о вероятных различиях в выполняемых функциях. Определение ткани формулирует каждая группа. Часто оно имеет следующее содержание: это группа клеток, имеющих сходное строение и расположенных в определенной последовательности в органе растения. В формулировке понятия часто упускается разделение тканей по выполняемым функциям. Это упущение дополняется исходя из структуры самого определения понятия, которую напоминает учитель. Определение закономерности должно включать в себя не только существенные признаки строения, но и существенные признаки жизнедеятельности.

Таблица. Природные явления и процессы

На следующем этапе изучения темы рекомендуется параллельно с заданиями эмпирического содержания предлагать ученикам проблемы теоретического характера, например следующие.

1. Почему у растений не две-три ткани, а шесть?
2. Почему ткани растений расположены в определенном порядке? Как можно объяснить подобный порядок расположения тканей?
3. Какие ткани растений, по вашему мнению, имеют аналоги в животном мире, а какие нет, и почему?

И опять, как и при изучении бактерий, гипотезы, которые выдвигают ученики при решении данных проблем, сопоставляются с определением понятия «ткань». Есть ли основания вносить дополнения или изменения в определение понятия на основе гипотез? Почему? Какие исследования тканевого строения растений вы можете предложить? Составьте план такого исследования.

При изучении закономерностей строения и жизнедеятельности организмов учителю следует, прежде всего, обращать внимание на слово «закономерность». Часто учащиеся неплохо владеют фактами, относящимися к строению и жизнедеятельности организмов, могут подробно рассказать о питании, кругах кровообращения, органах выделения и дать определения, например, транспирации. Но, к сожалению, когда начинаешь задавать им очень важные с методологической точки зрения вопросы (что такое транспирация – закономерность или просто термин; что та-кое закономерность, чем она отличается от термина; зачем нужно изучать закономерности; как изменяются закономерности и нужны ли для этого исследования или нет?), многие дети не могут дать на них ответы.

Вы считаете, что не следует «мучить» маленьких детей методологией – вырастут и сами научатся? Но взгляните на наше правительство, где сидят выпускники наших же школ и с умным видом вещают с экранов телевизоров о нашей скорой замечательной жизни. Только сроков не называют уже лет двад-
цать – для этого потребовалось бы теоретическое понимание того, что прогресс общества начинается не с решений правительства, пусть даже гениальных, а с создания должных условий для тех, кто эти решения будет проводить в жизнь (в том числе и учителей). В ТРИЗ это называется опережающим развитием ра-
бочего органа: желаем, чтобы рабочий орган работал
лучше, – вкладываем в него ресурсы и только тогда ставим новые цели.

Методика работы с понятиями в средней школе

В курсе биологии средней школы изучаются законы и теории. Возьмем в качестве примера биогенетический закон Э.Геккеля и Ф.Мюллера. Сущность закона нам известна: онтогенез есть краткое повторение филогенеза, или индивидуальное развитие организма кратко повторяет определенные этапы развития вида. Определение закона дается в учебнике. Для развития теоретического мышления учащихся рекомендуется организовать учебную деятельность одним из следующих способов.

1. Предложить по таблицам с изображениями зародышей позвоночных животных и влажным препаратам зародышей (но без помощи учебника!) сравнить строение зародышей и сделать возможные обобщения.
2. Изучить текст учебника, составить краткий конспект, выписать формулировку биогенетического закона и составить план исследования, результатом которого могло бы стать сформулирование закона.

На следующем этапе ученикам предлагаются проблемные задания.

1. Почему в процессе онтогенеза зародыши кратко повторяют только определенные этапы развития предков, а не все? Почему именно эти этапы?
2. Каков может быть механизм регулирования краткого повторения определенных этапов развития?
3. Биогенетический закон был открыт во второй половине XIX в. независимо от работ Дарвина. По сути дела, это было фундаментальное открытие. Как, по вашему мнению, объяснить современникам значение этого открытия? Как вообще объяснять значение фундаментальной науки, ведь сиюминутной практической пользы, она, как правило, не приносит?
4. Попробуем мыслить ненаучно и дать ответ на следующий вопрос: каких законов не хватает в биологии? Сформулируйте такие законы в виде гипотез.
5. Представим биогенетический закон в качестве гипотезы, которую необходимо опровергнуть. Составьте план вашей работы.
6. Какие дальнейшие направления исследований биогенетического закона вы можете предложить?
7. В чем состоят генетические механизмы сохранения или выпадения отдельных этапов онтогенеза?

Проблемные задания предназначены для глубокого осмысления понятия. В идеале цель развития теоретического мышления – научить ученика анализировать любые ситуации, в том числе и проблемные, с применением всех изученных закономерностей, законов и теорий. В сознании человека должна сформироваться экспертная система, включающая основные теоретические понятия. Эта система составляет основу научного мировоззрения и позволяет не только оценивать реальность строго научно, но и предлагать научно обоснованные пути возможных изменений.

В качестве примера выберем методику организации учебной деятельности учащихся при изучении теории эволюции. Здесь также может быть несколько подходов к изучению темы.

Для начала – несколько вопросов по биографии Дарвина.

1. Не кажется ли вам странным, что глубоко верующий человек, священник англиканской церкви, Ч.Дарвин создает теорию эволюции, которая противоречит библейским канонам?
2. Зачем студенту теологического факультета Лондонского университета Дарвину потребовалось отправляться в кругосветное путешествие?
3. Как, по-вашему, происходило создание теории эволюции:

– Дарвин поставил перед собой цель: создать теорию эволюции;
– теория эволюции неожиданно сформулировалась в сознании ученого;
– Дарвин не создавал никаких теорий, а написал книгу «Происхождение видов…», однако другие ученые объявили ее теорией?

Дайте обоснованный ответ.

Первый подход к изучению теории построен на принципе «от фактов к теории». Группам учащихся предлагаются выписки из материалов, бывших в распоряжении Дарвина:

1) коллекции растений и животных;
2) описания особенностей изменений материковых и островных форм организмов;
3) работы К.Бэра о зародышевом сходстве организмов;
4) теория эволюции Ж.Б. Ламарка;
5) описания селекционных опытов;
6) клеточная теория;
7) палеонтологические исследования Ж.Кювье;
8) работы Берцелиуса о единстве химических элементов живой и неживой природы;
9) работы Ч.Лайеля о постепенном изменении живой и неживой природы под воздействием геологических процессов и климата.

Учащиеся должны ознакомиться с этими материалами и сформулировать возможные обобщения как гипотезы. Эти гипотезы являются прототипом теории эволюции. Затем начинается работа с учебником по проверке предложенных гипотез.

Второй подход построен на принципе «от теории к фактам». Учитель излагает основные положения теории эволюции Дарвина в виде лекции и предлагает группам учащихся без помощи учебника составить описания материалов, которые необходимы им для доказательства положений теории.

Развитие теоретического мышления предполагает, что ученик постепенно обучается логическому мышлению по двум основным направлениям: от фактов к теории и от теории к фактам.

История эволюционного учения сохранила для нас весьма занимательные факты. Дарвин не знал о работах Менделя, и, соответственно, генетические вопросы эволюции были слабым местом теории. Известна ситуация, получившая название «кошмар Дженкинса». Дженкинс во время одной из дискуссий задал Дарвину следующий вопрос. Допустим, что на поле с растениями, имеющими венчики красного цвета, попадают семена такого же вида, но с белыми венчиками. Через несколько лет растения с белыми венчиками «растворятся» – и признак исчезнет. А если это так, то причем здесь естественный отбор? «Сильные» признаки поглощают «слабые», независимо от приспособленности организмов. Дарвин так и не смог ответить на этот вопрос по существу, он не знал генетики. Поэтому на следующем этапе в изучении теории эволюции рекомендуется составление генетического обоснования эволюционного процесса.

Его можно взять в готовом виде в справочниках и учебниках для углубленного изучения биологии. Но это не наш путь. Синтетическая теория эволюции, к которой мы начинаем двигаться, в данном случае будет составляться как проектная работа самих учащихся. Для этого необходимо, чтобы учащимся были знакомы основные теоретические положения, на основе которых будет составляться генетическое обоснование эволюционного процесса: критерии вида, наследственная изменчивость и ее формы, ненаслед-ственная изменчивость и ее влияние на наследственность, микроэволюция и ее формы.

Изучение теории может осуществляться в разных формах: самостоятельная работа учащихся с учебником. Обсуждение теории предполагает, что ученики попытаются дать ответ на главный вопрос: достаточно ли изученной теории для обоснования механизма образования новых признаков и, следовательно, новых видов? Нет, этой теории недостаточно, ведь механизм образования новых признаков может быть объяснен только с применением генетики. В данном случае считаем, что тема «Генетика» учащимися уже изучена.

Теперь собственно и начинается проектная работа. Группам предлагается с помощью материалов по генетике предложить гипотезы генетических механизмов географического и экологического видообразования, а также объяснить с помощью закона Харди–Вайнберга механизмы борьбы за существование. Проектная работа требует двух-трех уроков, после чего учащиеся представляют свои проекты к защите.

На следующем этапе ученикам раздаются материалы с основными положениями синтетической теории эволюции и предлагается провести сравнение этих положений с подготовленными гипотезами. При сравнении обязательно возникают расхождения, которые, по сути, являются проблемами, требующими исследований. Группам предлагается составить планы исследований этих проблем.

На завершающем этапе учащимся предлагается решить ряд проблем по теории эволюции.

1. Почему именно генные мутации и их комбинации являются материалом для эволюции?
2. Почему макроэволюция является следствием микроэволюции? Могут ли быть другие пути макроэволюции? Почему?
3. Разве правильно утверждение, что эволюция не имеет конечной цели, ведь виды в процессе эволюции совершенствуются и становятся более приспособленными?
4. Вы согласны с тем, что эволюционный процесс представляет собой последовательную смену одной временной популяции чередой других временных популяций? Существует ли тогда вид? Почему?

Мы очень хотим, чтобы наши ученики знали не только конкретные факты биологии, но и могли бы оценивать и систематизировать их с точки зрения научных теорий; могли генерировать интересные идеи на уровне гипотез, планировать исследования по их проверке и, возможно, в будущем проводить настоящие биологические исследования. Для этого следует иметь в виду, что любая гипотеза рождается на уровне теоретической идеи и только в том случае, если у решающего эту проблему сформировано теоретическое мышление.

Теоретическое мышление включает в себя совокупность умений, которым нужно последовательно обучать учащихся:

1) умение различать и классифицировать закономерности, законы и теории;
2) умение составлять примерный план исследования для формулирования закономерностей, законов и теорий (от фактов – к обобщениям, от обобщений через проблемы и гипотезы – к новым закономерностям);
3) умение определять место факта в системе закономерностей;
4) умение находить факты, которые не объясняются ни одной из известных закономерностей;
5) умение сравнивать закономерности и теории одного фактологического поля и определять противоречия между ними.

Все эти умения формируются с помощью специально подобранных или составленных учителем творческих (проблемных) заданий и творческих работ (планирование исследований, проектирование, экспертиза). Основная методическая задача развивающего образования заключается в том, чтобы такие задания и работы присутствовали на каждом уроке и, следовательно, каждый урок обеспечивал развитие теоретического мышления учащихся.

Вопросы и задания

1. Существует теоретическая физика, но теоретическая биология до сих пор находится в стадии становления. Чем вообще будут заниматься биологи-теоретики и для чего нужна их работа?

2. Составьте градацию закономерностей по любому разделу курса биологии для основной школы. Попробуйте определить их связи с общими теориями.

3. Как проверить теоретическое мышление ученика вообще и по конкретной теме в частности?

4. Составьте методику развития теоретического мышления на примере темы «Цитология».

5. С чем, по-вашему, связано то, что одни учителя работают годами и десятилетиями по одной и той же системе преподавания, а другие ее периодически изменяют? Можно ли утверждать, что и те и другие не имеют теоретического педагогического мышления? Почему?