Особенности проведения демонстрационных опытов при развитии исследовательских умений учащихся на уроках биологии

Согласно требованиям ФГОС, одним из приоритетных направлений учебного процесса становится формирование у обучаемых универсальных учебных действий.

Школа должна содействовать успешному развитию способностей учащихся к самообразованию на протяжении всей жизни, умений принимать самостоятельные решения в социальной и профессиональной сфере.

Одним из путей реализации этих требований является организация учителем проектной и исследовательской деятельности учащихся, которая позволит школьникам реализовать свои познавательные потребности, а педагогу развивать у них умения самостоятельно ставить и решать задачи исследовательского и поискового характера, активизировать творческие, интеллектуальные инициативы школьников.

Следует отметить, что умения, необходимые для осуществления исследовательской деятельности, сегодня становятся востребованными даже в повседневной жизни, уже невозможной без постоянного анализа поступающей информации, принятия решений на основе логических построений.

В связи с переходом образовательных учреждений к новым стандартам, в которых проектной и исследовательской работе обучаемых отводится значительная роль, наиболее актуальным становится развитие интереса учащихся к исследовательской деятельности.

Биология, как естественнонаучный предмет, обладает значительным потенциалом для формирования исследовательских умений школьников. И среди других учебных предметов занимает одно из ведущих место по возможностям организации исследовательской деятельности и развитию исследовательских умений учащихся.

Учеными отмечается, что наряду с традиционным демонстрационным, лабораторным физическим экспериментом для мотивации школьников к участию в учебных исследованиях и различных проектах большим потенциалом обладают современные компьютерные и мультимедийные средства, новое оборудование, основанное на применении цифровых технологий. Использование биологического эксперимента и современных технических средств в учебном процессе обеспечивает выполнение нескольких функций:

1. активизацию внимания учащихся в связи с разнообразными способами предъявления учебной информации. Включение в учебный процесс компьютерных презентаций, виртуальных биологических опытов и моделей, виртуальных лабораторных работ, интерактивных плакатов, видеоопытов, анимации и другого обеспечивает полисенсорное восприятие учебного материала учащимися;
2. повышение мотивации учащихся к учебно-познавательной деятельности. При использовании компьютерных и цифровых средств учитель получает возможность варьировать формы учебного взаимодействия с учащимися, управлять самостоятельной деятельностью при выполнении заданий с учетом их индивидуальных особенностей, обеспечивать индивидуальный темп обучения;
3. активизацию мыслительной деятельности учащихся. Создание наглядной абстракции, проведение виртуального эксперимента, построение биологических моделей позволяет гармонизировать чувственные и рациональные компоненты мышления, что приводит учащихся к глубокому пониманию сущности биологических явлений и процессов. Комплексное применение современных технических средств обучения (цифровых фото- и видеокамер, компьютерных программ, цифровых лабораторий) при постановке учебного биологического эксперимента на уроках биологии в процессе осуществления учебных исследований обеспечит разнообразие демонстрационных опытов, практических работ.

Актуальность использования в процессе изучения школьного курса биологии демонстрационных опытов очевидна, так как нередко в настоящее время опыты стали встречаться во Всероссийской проверочной работе (ВПР), ОГЭ и ЕГЭ по биологии. Например, в ВПР за 2019 год обучающимся 6 класса предлагали выполнить задание по следующему опыту:

Задание из ВПР по биологии

Для того, чтобы школьник успешно выполнил это задание, можно продемонстрировать ему опыт по реакции гидры на раздражитель, и объяснить какие клетки участвуют в этом процессе с помощью виртуальной лабораторной работы.

Виртуальная лабораторная работа

Представим еще ряд заданий, проверяющих знание физиологических процессов растений и роли отдельных структур в этих процессах. На рисунке представлен опыт, где экспериментатор доказывает с помощью тлеющей лучины, которая разгорается от присутствия кислорода в пробирке, полученного в процессе фотосинтеза элодеи, водного растения.

Обучающиеся должны установить причинно-следственные связи, логически рассуждая прийти к выводу о том, что на рисунке изображен процесс фотосинтеза, обеспечивающийся пигментом хлорофиллом, который находится в зеленых частях растений, листьях, в ходе которого идет выделение газа кислорода.

В другом задании на иллюстрированном опыте показан процесс транспирации, при помещении листа герани в колбу, на стенках которой экспериментатор может наблюдать капельки влаги. Обучающиеся также должны назвать науку, которая занимается изучением процессов, протекающих в растительных организмах, указать процесс и его значение в жизни растения. Процесс дыхания показан опытом с прорастающим горохом в закрытой колбе.

Экспериментатор, поднеся горящую лучину, наблюдает, что она гаснет. Обучающиеся должны, рассуждая и выясняя причину от чего погасла лучина, прийти к заключению, что в колбе образовался углекислый газ в ходе процесса дыхания. Также в заданиях ВПР включены иллюстрации опытов на процессы транспорта веществ в растении, прорастания семян и выявления факторов, способствующих росту растения, явление корневого давления и тропизма.

Поэтому активное использование демонстрационного опыта в рамках уроков дает более четкое понимание данных заданий в ВПР и позволяет сделать его выполнение более доступным для учащихся. При этом обучающиеся приобретают опыт использования биологических методов и проведения несложных экспериментов для изучения физиологических процессов растительных организмов.

Несомненно, биологический эксперимент является важнейшим методом и специфическим средством обучения биологии, он знакомит учеников не только с явлениями, но и методами биологической науки, что впоследствии будет проверяться на мониторингах внутреннего и внешнего анализа знаний школьника (ВПР, ОГЭ, ЕГЭ, PISA, TIMMS)

В процессе выполнения эксперимента учащиеся приобретают умение наблюдать, анализировать, делать выводы, обращаться с оборудованием. Различают: демонстрационный эксперимент (создание конкретных представлений о биологических объектах при изучении нового материала), опыты (помогают изучить отдельные характеристики биологического объекта) и лабораторные работы (совокупность лабораторных опытов, позволяет изучить биологические явления и процессы).

Биологический эксперимент может быть натурным, мысленным и виртуальным.

"Виртуальный" (от лат. virtualis) означает "возможный, не имеющий физического воплощения"; виртуальная реальность - имитация реальной обстановки с помощью компьютерных устройств; используется главным образом в учебных целях. В связи с этим виртуальный эксперимент иногда называют имитационным или компьютерным.

Согласно действующему ГОСТ, "виртуальный" - определение, характеризующее процесс или устройство в системе обработки информации, кажущиеся реально существующими, поскольку все их функции реализуются какими-либо другими средствами; широко применяется в связи с использованием средств телекоммуникаций, с помощью которых создается виртуальная образовательная среда - программно-телекоммуникационная среда, обеспечивающая ведение учебного процесса, его информационную поддержку и документирование в электронных сетях с использованием единых технологических средств.

Виртуальный биологический эксперимент расценивается как вид учебного эксперимента по биологии; его основным отличием от натурного является тот факт, что средством демонстрации или моделирования биологических процессов и явлений служит компьютерная техника или цифровая образовательная среда.

Выполнение виртуального эксперимента (демонстрации, опыта или лабораторной работы) в виртуальной лаборатории заключается в эмуляции тех действий, которые пользователь должен проводить в реальной лаборатории.

Преимуществами виртуального эксперимента являются:

• легкость организации фронтальной лабораторной работы – для проведения преподавателю нужен только компьютер, проектор и доска для демонстрации
• безопасность, позволяющая работать индивидуально;
• перспективы инклюзивного обучения биологии;
• возможность многократных повторений опыта с изменением первоначальных условий;
• учащиеся имеют ресурс для проведения данного виртуального экспериментирования самостоятельно на домашнем компьютере
• возможность быстрого проведения серии опытов с различными значениями входных параметров;
• минимальные затраты на проведение виртуального эксперимента
• все эксперименты могут выполняться на компьютерах, которые, в отличие от лабораторных инструментов, не изнашиваются и не так часто ломаются;
• сокращение времени на отработку умений, приобретение навыка ведения наблюдений, интерпретации данных; (при этом существуют ситуации, когда использование виртуальной лаборатории - единственно возможный способ проведения биологического эксперимента).

Конечно, виртуальному биологическому эксперименту присущи некоторые недостатки: весьма ограниченный характер взаимодействия учащегося с исследуемым объектом и отсутствие непосредственного контакта с приборами и аппаратурой.

В таком случае, очевидно, что оптимальным будет сочетание использования натурных и виртуальных лабораторий в образовательном процессе с учетом присущих им достоинств и недостатков. Мы рассматриваем три группы приемов использования виртуальных лабораторий по биологии:

1. при изучении нового материала;
2. при закреплении знаний;
3. при отработке практических навыков, во всех случаях уделяя внимание как групповой, так и самостоятельной работе.

К методическим условиям эффективного применения виртуальной лаборатории при обучении биологии мы относим: доминирование дидактической цели, целесообразность применения, осознанность выполняемых действий и приобретаемых знаний, кратковременность эксперимента, вариативность применения.

Особенности методики проведения демонстрационных опытов в рамках изучения курса биологии зависят от типа опыта (кратковременный или долговременный) и от характера демонстрации. В случае длительного опыта, который не укладывается в рамки урока, но необходимо показать целостность демонстрационного опыта, учителю нужно предварительно заложить опыт и показать его результат.

Кратковременный опыт можно проводить как на этапе изучения нового материала, например по изучению состава семян, или на этапе закрепления материала, например опыт по изучению поглощения воды сфагнумом. Опыт по изучению условий прорастания семян можно предложить обучающимся выполнить дома с последующей демонстрацией результатов на уроке.

Длительные опыты по выяснению влияния разных экологических факторов на растительный организм можно предложить старшеклассникам с последующим описанием результатов. Таким образом, демонстрационный опыт позволяет показать явления природы, исследовать связи с другими явлениями, на этой основе сформулировать новое понятие или сделать обобщение на уровне закона природы и упрощает сам процесс проведения лабораторного опыта.

При использовании демонстрационного опыта, как метода познания, школьники успешно смогут познакомиться с методами познания биологической науки, осуществить наблюдения исследовательского характера за различными биологическими объектами и процессами, провести анализ, сравнение, сделать выводы и обобщения и усвоить общебиологические знания, практические умения и навыки, а также развить исследовательские умения.