Т.А. КОЗЛОВА,
Лаб. биол. образ. ИСМО РАО, г. Москва

Преподавание общей биологии в профильных классах

Среди основных направлений модернизации российского образования на период до 2010 г., профильное обучение по биологии в старших классах общеобразовательных учреждений выступает как приоритетное. Оно должно содействовать профессиональному самоопределению учащихся, способствовать их ориентации на будущую деятельность в различных областях биологии.

В процессе преподавания общей биологии в профильных классах следует обращать внимание учащихся на то, что вся история материальной культуры человечества связана с использованием законов природы, а фундаментальные биологические знания являются научной основой общих принципов организации промышленности и сельского хозяйства: безотходность и безвредность технологий, замкнутость технологических циклов. Очень важно убедить учащихся в том, что на знании биологических закономерностей основываются медицина, генетика и селекция, ветеринария, сельскохозяйственная практика, экология.

Для профилей других направлений (физико-математического, технологического и др.) биология, не являясь профилирующим предметом, не должна потерять своей важной образовательно-воспитательной роли. Биологическое образование призвано формировать у подрастающего поколения понимание жизни как величайшей ценности, готовность к участию в природоохранной и здоровьесберегающей деятельности.

Независимо от профиля обучения содержание курса биологии должно быть пронизано следующими идеями и принципами:

– идея эволюции и уровневой организации природы, обеспечивающие целостность курса;
– принцип системной организации живого от клетки до биосферы, позволяющий рассматривать органический мир как систему, состоящую из подсистем, и использовать фактологический материал для раскрытия общебиологических закономерностей;
– в содержании биологического образования должны отражаться методы научного познания и методы исследования различных областей биологических наук: цитологии, генетики, эволюционного учения, экологии и др.;
– принцип полицентризма, в соответствии с которым признаются равнозначными, равноважными все уровни биологической организации: клеточно-организменный, популяционно-видовой, биосферно-биоценотический;
– принцип биоцентризма, обеспечивающий экосистемный подход к изучению природы, признание, наряду с правами человека, права природы на существование и развитие.

Цели обучения общей биологии в профильных классах:

– углубить, расширить, систематизировать знания общебиологических закономерностей, сформировать умения объяснять любое биологическое проявление с позиций этих закономерностей;
– формировать важнейшие умения, необходимые для работы с биологическими объектами, вооружить учащихся знаниями методов научных биологических исследований (наблюдение, эксперимент и др.);
– воспитать необходимые качества личности выпускников профильных классов для участия в будущей естественнонаучной деятельности и для продолжения образования в области биологических наук (интерес и ответственное отношение ко всему живому, наблюдательность, трудолюбие и др.;
– обеспечить необходимое биологическое образование учащимся профильных не биологических классов.

Большое значение для профильного обучения по общей биологии имеет подробное ознакомление учащихся с методами и приборами, используемыми в биологических исследованиях.

Приборы и методы изучения клетки

Уже более 300 лет применяется микроскопия и визуальное (непосредственное) наблюдение. Основным оптическим прибором, позволяющим увидеть увеличенное изображение предмета, является световой микроскоп.

Общее увеличение светового микроскопа (V) складывается из увеличения объектива V_об., умноженного на увеличение окуляра V_ок.

V = V_об. х V_ок.

Величина наименьшего диаметра видимых в микроскоп частиц называется разрешающей способностью микроскопа – d. Ее определяют по формуле:

где – длина волны света, в мкм; n – коэффициент преломления среды между линзой объектива и покровным стеклом; – угол между оптической осью объектива и отклоняющимся лучом. Предельная разрешающая способность светового микроскопа – 3000 раз.

В фазово-контрастном микроскопе, работающем на использовании коэфициента преломления света структурами клетки с разной плотностью, свет направляется под определенным углом на объект.

Электронный микроскоп, изобретенный в 1933 г., имеет высокую разрешающую способность, которая определяется ультрамалой длиной волны электрона. Длина волны света – 4000–8000 А, длина волны электрона при напряжении 50 000 В = 0,05 А, при 100 000 В - 1,25 А (1 А = 0,0001 мкм). С помощью такого микроскопа исследуют чрезвычайно тонкие срезы клеток и тканей, но не живых, т.к. внутри микроскопа создается вакуум.

Источником электронов является катод, в качестве которого используется вольфрамовая нить, нагреваемая до раскаленного состояния.

Электромагнитные линзы (на схеме – катушки конденсоров) выполняют роль увеличивающих линз. Пучок электронов, прошедший через объект, увеличивает его изображение с помощью второй магнитной катушки, которая действует как линза объектива. Окуляром является третья катушка, которая еще увеличивает изображение. В результате на фотопленке создается изображение объекта.

Учащихся профильных классов необходимо ознакомить с другими цитологическими методами: методом исследования живых клеток путем приготовления микропрепаратов с помощью прижизненной окраски; методом скоростного центрифугирования, позволяющим разделять отдельные структуры клетки; методом микрохирургии, с помощью которого осуществляют пересадку органоидов из одних клеток в другие или пересадку тканей (например, микрохирургия глаза); методом культивирования клеток и тканей; методом авторадиографии, когда с помощью меченых атомов изучаются особенности жизненных циклов клеток.

В профильных классах желательно знакомить учащихся с особенностями биологических научных исследований. В качестве примера можно привести изучение функционирования фермента нитрогеназы. Этот фермент «работает» в клубеньковых бактериях, где восстанавливает атмосферный азот до ионов аммония (NH₄⁺).

Изучение нитрогеназы вызывало постоянные трудности, поскольку при выделении из клеток фермент терял свою активность. Привлечение к исследованиям физиков и химиков помогло понять причину неудач. Оказалось, что в присутствии кислорода белковая часть фермента разрушалась, и фермент становился неактивным. В конце концов для изучения работы фермента и всей азотфиксирующей системы были сконструированы приборы, создающие анаэробные (бескислородные) условия.

Примеры научных поисков должны показать учащимся не только необходимость глубокого изучения школьного курса биологии, но и особенности научной, исследовательской работы.

Для расширения научного кругозора учащихся профильных классов полезно давать характеристику структур и особенностей отдельных биологических наук, основы которых входят в школьное биологическое образование. Например, в начале изучения темы «Основы генетики» можно предложить учащимся общую схему, отражающую структуру современной генетики. Такую схему можно поместить на классный стенд и на всех уроках, посвященных генетике, обращать внимание учащихся на дифференциацию генетических исследований, которые проникли во многие отрасли науки и практики.

Профильное обучение по биологии может быть успешным и эффективным при условии выполнения некоторых методических рекомендаций, которые включают содержательные и организационные (процессуальные) особенности. При этом важно и необходимо использовать приемы, направленные на объединение субъективного и объективного смыслов обучения общей биологии. Первый нужен личности; второй – обществу.

В настоящее время вместо терминов «методика» или «методические рекомендации» часто используется термин «педагогические технологии». Они обычно включают:

– дидактические процессы (предписания способов деятельности);
– организационные формы обучения (условия, в которых эта деятельность должна осуществляться);
– средства осуществления этой деятельности (целенаправленная подготовка учителя к занятиям и наличие соответствующих ТСО).

Часто употребляемый термин «образовательные технологии» предполагает технологию обучения.

Для профильного преподавания можно выбрать любую из образовательных технологий, представленных в таблице 1.

Таблица 1. Особенности образовательных технологий

Важным элементом современной методики является выполнение исследовательских заданий. Учителю может помочь схема 4.

Для создания проблемных ситуаций можно использовать различные способы.

1. Постановка проблемного вопроса, например: «Чем можно объяснить тот факт, что пищевые цепи не бывают длинными?»

2. Создание проблемной ситуации на основе высказываний ученых или научных утверждений. Например: «Объясните высказывание ученого о том, что растениям принадлежит космическая роль». Или «Известный биолог А.Гумбольт утверждал, что «человеку предшествуют леса, а сопровождает его пустыня»».

3. Создание проблемной ситуации на основе разных точек зрения по одному и тому же факту, по одной и той же проблеме. Например: чью точку зрения на причину возникновения приспособленности вы поддерживаете? А. Линнея «Это результат создания вида творцом». Б. Ламарка «Изменяются соответственно факторам среды». В. Дарвина «Это результат изменчивости различных признаков, лучше соответствующих данным условиям существования».

4. Сообщение парадоксального факта. Уничтожение хищных птиц – увеличение численности других групп птиц, а потом сокращение. Урожай лугового клевера – число кошек в сельской местности. Массовое размножение водорослей – замор рыбы.

5. Демонстрация опыта или сообщения о нем могут стать основой для создания проблемной ситуации.

Все описанное выше относится к процессуальным особенностям.

Преподавая общую биологию в профильных классах, важно раскрывать серьезный вклад биологической науки в решение проблем, стоящих перед человечеством. Необходимо рассказывать о таких достижениях, как расшифровка генома человека, успехи в области генной инженерии, открытия в области биотехнологии; работы по клонированию организмов и др.

Полезно познакомить учащихся с биологическими «патентами» живых организмов, которые являются источниками идей для инженеров, конструкторов, ученых.

Содержательные особенности профильного обучения заключаются в углублении и детализации общебиологических знаний и закономерностей, которые необходимы и ученикам, выбравшим небиологические профили. Дополнительные сведения позволят усилить положительную мотивацию и интерес к изучению биологии.

Например, учащимся биолого-химического профиля целесообразно рассказать о недавно открытой отечественными учеными роли клеточных мембран в поддержании здоровья. Приведенная ниже информация, как показала практика, резко усиливает интерес учащихся к изучению строения и функционирования структур клетки.

«Было установлено, что в опухолевых тканях сцепление и взаимодействие клеток между собой во много раз слабее, чем в нормальных, здоровых. Отсюда следовало, что если клетки тканей крепко, нерыхло связаны, значит организм надежно застрахован, защищен на будущее от тяжких болезней. Если же связь между клетками ослабевает – жди беды, возможны различные заболевания».

После такого сообщения у учащихся не только повышался интерес к изучению особенностей строения клеток, но и возникал вполне закономерный вопрос: «Нельзя ли как-то повлиять на степень сцепления клеток, чтобы повысить защитные силы организма?» Частичный ответ на этот вопрос ученые уже нашли. Из печени и легких взрослых животных были выделены особые вещества, названные «контактинами», которые восстанавливают контакты между клетками. Работы в этом направлении продолжаются. Для успешного решения этой проблемы необходима совместная работа цитологов, биохимиков, биофизиков.

На основе такой информации можно предложить учащимся, особо интересующимся биологией, разработать проект дальнейшего исследования на тему: «Роль клеточных мембран в сохранении здоровья и жизнедеятельности организма».

Для школьников, выбравших агротехнологический профиль, изучение общебиологических закономерностей следует конкретизировать сведениями о биологии сельскохозяйственных растений и животных; знаниями о новых сортах и породах, технологиях их создания и выращивания; о многофакторной роли почвы и научных основах ее обработки, способах посева и посадки. Важно формировать умения моделировать условия для роста и развития растений и др.

Одним из методических приемов преподавания общей биологии в профильных классах является структурирование учебного материала в виде схем. В схемах можно отмечать те компоненты, которые могут быть дополнены, расширены, уточнены с использованием дополнительной информации. Например, для формирования убежденности учащихся в том, что клетка является единицей структурной организации живой материи, полезно использовать схему 5.

На схеме видно, что биологические объекты либо представляют собой клеточные структуры, являются производными клетки (клеток) – симпласты и синцитии, либо находятся от нее в абсолютной зависимости (вирусы). Далее следует дополнение: симпласт (от греч. сим – вместе и пласт – вылепленный, образованный) – образование клеток, характеризующееся отсутствием клеточных границ и расположением многих ядер в сплошной массе цитоплазмы. Наблюдается у некоторых простейших, например у ряда инфузорий; в поперечнополосатых мышечных волокнах. У растений многоядерный протопласт, не имеющий клеточного строения, называется синцитием. Симпласт и синцитий образуются в результате слияния клеток или деления ядер без разделения клеткок (цитотомии). Синцитиальное строение характерно для зародышевой соединительной ткани – мезенхимы, костной ткани и др.

Целесообразно использовать такие схемы в начале изучения каждой темы. Например, в начале изучения темы: «Химический состав клетки» полезно продемонстрировать обобщенную схему 6.

Подобная схема позволяет и педагогу, и учащимся дедуктивно воспринять весь объем будущего изучаемого материала в определенной последовательности.

Каждый ключевой пункт данной схемы разворачивается при дальнейшем изучении в более конкретизированную схему. Например, при изучении углеводов учащиеся в качестве опорной используют схему 7.

Использование таких схем возможно при проведении обобщающих уроков, уроков-семинаров, уроков-конференций, защите ученических проектов и рефератов. Еще Я.А. Коменский писал о том, что все находящееся во взаимосвязях должно и преподаваться в тех же связях.

Структурно-логические схемы выполняют и ориентировочную функцию: в памяти удерживаются те знания, которые наиболее важны. По Ю.А. Самарину, самое надежное подкрепление – это подкрепление, исходящее из закономерностей данной связи. Чем обобщеннее знание, тем на более широкую связь – внутрисистемную, межсистемную – оно опирается, закрепляя в нашем сознании связи между явлениями, понятиями, процессами. Чем обобщеннее понятие, тем большей содержательной емкостью оно обладает.

Структурно-логические схемы обладают большей содержательной емкостью, помогают самообразованию ученика при выполнении им заданий конструктивного и творческого характера.

В процессе преподавания общей биологии в профильных классах учителям все время приходится сверяться с требованиями профильного стандарта биологического образования к знаниям и умениям учащихся, ориентироваться на требования к уровню подготовки выпускников по химико-биологическому, биолого-географическому и агротехнологическому направлениям.

Для удобства педагогов требования стандарта профильного уровня представлены в таблице 2. В ней также обозначены темы уроков или отдельных глав учебника, усвоение которых поможет учащимся профильных классов приобрести знания и умения, определенные стандартом биологического образования для профильных классов.

Одной из методических особенностей изучения каждой темы раздела «Общая биология» может быть характеристика научной и учебной значимости данной темы. Например, при изучении темы «Основы цитологии» необходимо убедить учащихся в том, что прочные, глубоко осознанные знания сущности процессов, протекающих на молекулярно-клеточном уровне, являются основой для дальнейшего изучения и понимания механизмов важнейших проявлений жизни – наследственности, изменчивости, эволюционных процессов и их результатов – возникновения многоообразия видов и адаптивной приспособленности к конкретным условиям существования. Для усиления мотивации к изучению данной темы необходимо сообщить сведения об использовании стволовых клеток в медицине.

Несмотря на то, что молекулярная биология изучает элементарное проявление жизнедеятельности в тех объектах или структурах, которые, по сути, не являются живыми (органоиды, полимерные структуры организмов и пр.), она занимает ведущее место в изучении живого. Характерной особенностью молекулярной биологии является тройственный подход к объектам изучения (состав, структура, функция), что лежит в основе решения важнейшей общебиологической задачи – познания взаимоотношений между молекулярными структурами и биологическими функциями молекул жизни.

Современные молекулярно-биологические представления глубоко пронизаны общенаучным понятием об информации. На примере информационных биополимеров – белков учащиеся должны понять, что отправной точкой биологических информаци-онных процессов является понятие о первичной структуре макромолекул. Именно первичная структура заключает в себе информацию о возникновении вторичной и третичной структур, т.е. информацию об объемной конфигурации белковых молекул. Биологическая информация проявляется в фиксировании и реализации генетического кода.

В ходе развития живого на Земле информация, приобретая интегративное качество, обеспечивает проявление биологической интеграции, начиная от момента возникновения в водах первичного океана белково-нуклеотидных комплексов и завершаясь на современном этапе – антропогенезом. Эти и другие важнейшие идеи должны быть представлены в процессе профильного преподавания в биолого-химических классах.

Таблица 2. Требования профильного стандарта биологического образования к знаниям и умениям учащихся 10-х классов, изучающих раздел «Общая биология»