Деятельность ученого-исследователя связана не только с непосредственным практическим проведением наблюдения или опыта, но прежде всего — с предварительным «мыслен¬ным экспериментированием» (созданием мысленной модели исследования). Этот процесс включает в себя формулировку цели, задач, гипотезы исследования; разработку плана и методики работы; прогнозирование возможного хода экспери¬мента и его результатов; выполнение других интеллектуаль¬ных действий. Элементам научного поиска нужно и возмож¬но обучать на уроках биологии, а также на занятиях круж¬ка. С этой целью мы рекомендуем использовать на уроках и во внеклассной работе с учащимися по зоологии биологичес¬кие задачи исследовательского характера.
Каждая задача представляет собой конкретную ситуа¬цию, требующую своего разрешения путем логического ана¬лиза, с привлечением школьниками уже известных им зна¬ний по биологии и другим предметам школьного курса. В тексте задачи после краткого описания ситуации следуют вопросы и задания, направляющие деятельность учащихся. Разрешение проблемы, заключенной в условии задачи, осу¬ществляется в процессе эвристической беседы учителя с уча¬щимися на уроке или занятии кружка.
Перед началом беседы учитель зачитывает условие за¬дачи, а также приведенные в ней вопросы и задания для учащихся, уточняет и поясняет проблему. При необходимо¬сти условие задачи кратко записывается на доске и в тетра¬дях учащихся. После этого преподаватель предлагает школь¬никам ответить на первый вопрос задачи, предоставив им время для обдумывания этого вопроса. Если первый вопрос предлагает построение гипотез, каждая из них по мере вы¬сказывания учащимися записывается на доске. Затем про-водится обсуждение гипотез, оценивается вероятность каж¬дой из них. В дальнейшем, если этого требует логическая последовательность вопросов задачи, учитель предлагает учащимся продумать план и методику экспериментов по про¬верке правильности наиболее вероятных из высказанных гипотез.
В задачах другого типа школьникам может быть пред¬ложено дать объяснение конкретным фактам, полученным в результате проведенного учеными исследования; выявить неучтенные причины, которые могли исказить результаты ра¬боты, и т. д.
В процессе поисковой беседы, проводимой учителем, школьники самостоятельно анализируют и исследуют ситуа¬цию, уясняют внутренние связи и отношения между различ¬ными ее элементами.
Познавательная активность школьников, их попытки по¬дойти к решению вопросов задачи с различных сторон дол¬жны поощряться и одобряться учителем. При этом положи¬тельной оценки прежде всего должны заслуживать неорди¬нарность мышления учащегося, гибкость и аргументирован¬ность в анализе ситуации, точность обобщения, общая био¬логическая эрудиция школьника.
Таким образом, в процессе решения учащимися биологи¬ческих задач исследовательского характера главное внима¬ние учитель должен уделять созданию наиболее оптимальных условий для организации исследовательского мышления школьников.
Наиболее сложные и многоаспектные задачи исследовательского характера, требующие от школьника по¬следовательного решения нескольких вопросов, наиболее це¬лесообразно использовать во внеклассной ра¬боте, при проведении занятий зоологического кружка. Рас¬смотрим на конкретном примере, как можно организовать работу учащихся с такой задачей.
Перед началом беседы учитель зачитывает условие за¬дачи:
«Исследователь высказал различные предположения (ги¬потезы) по поводу пения самца канарейки:
1. Пение кенара полностью наследуется (передается от родителей потомкам) и не зависит от «обучения» молодого самца у взрослого.
2. Пение кенара развивается в результате «обучения» молодого самца у взрослого, но не наследуется.
3. Основные качества песни наследуются, но имеет зна¬чение и «обучение».
Условие задачи, если это необходимо, в тезисном виде записывается на доске.
Затем учитель предлагает учащим¬ся подумать над первым вопросом задачи:
«Какая из приведенных выше гипотез кажется вам наи¬более вероятной и почему?»
Если в решении задачи участвуют школьники старших классов, уже ознакомленные с основами эволюционного уче¬ния и генетики, они, как правило, быстро склоняются к треть¬ей гипотезе и аргументировано отстаивают свой выбор.
Школьниками высказываются различные мнения; каждая из предло¬женных в задаче гипотез может найти своих сторонников. И в том, и в другом случае возникает необходимость про¬должить дискуссию. Поэтому учитель задает второй вопрос:
«Как можно организовать и провести эксперимент по про¬верке правильности каждой из гипотез?»
Обсуждаются условия, план эксперимента и его методика. Школьники предлагают получить выводок птенцов от пары канареек. Затем, после наступления самостоятельности у птиц, одного молодого самца из выводка оставить в той же ком¬нате, где находится взрослый поющий кенар, а второго — перенести в другую комнату. В дальнейшем, через несколько месяцев, предлагается сравнить качество пения двух моло¬дых кенаров, находившихся в разных условиях.
Предлагая, в общем, правильный подход к решению проб¬лемы, школьники обычно не учитывают двух моментов, на которых учитель может акцентировать внимание учащихся:
1. До наступления месячного возраста (когда канарейки становятся самостоятельными) молодые птицы могут слы¬шать пение своего отца. Теоретически возможно, что уже в этот период молодые самцы способны запомнить некоторые колена из песни взрослого кенара, т. с. начать «обучение» у него. Без сомнения, это вносит серьезную погрешность в эксперимент.
2. Самку от самца у канареек можно отличить практи¬чески только по пению второго. Поэтому определить половую принадлежность птиц до достижения ими 3-5 месячного возраста (когда молодые самцы начинают активно петь) не представляется возможным. Как же выйти из этих затруднений? Мож¬но, например, убрать самца канарейки еще до вылупления потомства. Тогда все обязанности по выкармливанию вылу¬пившихся птенцов падают на самку, но в большинстве слу¬чаев она успешно справляется с ними, а молодые птицы с рождения не слышат пения взрослого кенара. Затем моло-дых птиц, достигших самостоятельности в месячном возра¬сте, переносят в другое помещение, а взрослого кенара воз¬вращают к самке для получения второго выводка. Когда мо¬лодые самцы начинают активно петь, одного из них в от¬дельной клетке помещают в комнату, где находится его отец, а второго оставляют в помещении, где нет взрослых кенаров. Это и предлагали сделать школьники в начале дискуссии.
Уже само начало пения молодых птиц, находившихся в изо¬лированном от взрослого кенара помещении, опровергает гипотезу о том, что пение молодой птицы полностью опреде¬ляется влиянием «обучения» ее у взрослого самца канарейки. Следовательно, развитие песни зависит либо только от на-следственности, либо от совместного влияния наследственно¬сти и «обучения». Это и предстоит выяснить в дальнейшем.
Учитель должен подчеркнуть, что в процессе проведения эксперимента все условия, в которых содержатся «опытная» и «контрольная» птицы (кроме наличия или отсутствия ря¬дом поющего взрослого кенара) должны быть одинаковыми. Желательно, чтобы комнаты одина¬ково освещались, чтобы в них поддерживалась одинаковая температура. Едиными должны быть также режим и рацион кормления птиц, факторы беспокойства, другие условия. Клетки должны быть одинаковых размеров. Обсуждение зна¬чимости всех этих условий необходимо, поскольку лишь в этом случае у школьников формируется правильное пред¬ставление о требованиях, предъявляемых к проведению на¬учного эксперимента.
Далее учитель может поставить перед учащимися очеред¬ной вопрос:
«Каковы возможные результаты исследования? О чем мо¬гут говорить эти результаты?»
Как отмечалось выше, гипотеза об определяющей роли «обучения» в становлении песни самца канарейки была от¬брошена после того, как молодые самцы начали петь, находясь в полной изоляции от взрослого кенара. В процессе по¬исковой беседы школьников можно подвести к формулиро¬ванию следующих положений:
1. Если через несколько месяцев пение обоих молодых самцов одинаково хорошее — есть основание думать, что ка¬чества песни полностью наследуются, и «обучения» молодых птиц у взрослых самцов канареек не происходит.
2. Если не слышавший взрослого кенара молодой самец поет хуже, чем второй молодой самец — есть основание ду¬мать, что песня птицы зависит и от наследственности, и от «обучения».
Далее учитель сообщает, что в результате проведенного по предложенному плану исследования подтвердилась гипо¬теза о совместном влиянии наследственности и обучения на развитие песни у самца канарейки. Но здесь возникает во¬прос о том, насколько можно верить полученному результа¬ту. Действительно ли он отражает реально существующую биологическую закономерность, или носит случайный харак¬тер? По существу, это вопрос об оценке научной достовер¬ности полученных результатов. На первом этапе работы со школьниками этот вопрос может быть сформулирован сле¬дующим образом: «Какие неучтенные причины могли исказить результаты исследования?»
Поначалу этот вопрос вызывает у школьников затрудне¬ние. Поэтому на первом этапе работы с биологическими за¬дачами исследовательского характера, применительно к на¬шему примеру, можно остановиться лишь на некоторых из причин недостоверности полученных результатов:
1. Эксперимент проводился только на двух особях дан¬ного вида птиц. Это определяет большую вероятность случай¬ности полученных результатов. Так, например, в «изоляцию» от взрослого кенара мог попасть более «одаренный» от при¬роды певец, и его песня в этом случае может в конце экспе¬римента быть не хуже, чем песня птицы, имевшей возмож¬ность слушать взрослого кенара. Тогда исследователь может сделать ошибочный вывод о том, что развитие пения у моло¬дых самцов только наследуется, но не зависит от «обучения». Учитель подчеркивает, что, стремясь избежать подобных ошибок, исследователь старается проводить эксперимент на возможно большем числе животных, разделяя их на «конт¬рольную» и «опытную» группы (по 10—15 и более экземпля¬ров каждая). В нашем случае проведение рассмотренного выше опыта с канарейками оправдывается тем, что в одном выводке этих птиц бывает всего по 4—6 птенцов, из них — 2—4 самца. Кроме того, содержание большого числа птиц в домашних условиях затруднительно.
2. Была проведена только одна повторность опыта, по¬этому нет возможности для обобщения его результатов.
3. Оценка качества пения птиц проводилась человеком без использования регистрирующих приборов или специаль¬ной шкалы, а потому эта оценка весьма субъективна. Следовательно, здесь тоже сохраняется большая вероят¬ность ошибки или неточности.
Таким образом, учащиеся подводятся к выводу о необ¬ходимости повторения исследования на многих птицах с ис¬пользованием специальной методики регистрации результа¬тов.
Подобная оценка достоверности полученных результатов необходима, поскольку она требует от школьников осторож¬но подходить к их трактовке, не допуская без¬ответственного построения выводов.
Как видно из приведенного выше примера, вести поиско¬вую беседу в процессе решения биологической задачи иссле¬довательского характера довольно трудно. От учителя при этом требуется правильная последовательность постановки вопросов и точность их формулировок; умение создать бла¬гоприятный психологический климат; способность адекватно реагировать на каждое конкретное выступление того или ино¬го учащегося; умение выдержать необходимую паузу в бе¬седе, вовремя и ненавязчиво направить мыслительную дея¬тельность школьников в нужное русло. Необходимы также психологическая гибкость и быстрота реакции учителя на не¬запланированные ситуации, которые в изобилии возникают в поисковой беседе и могут прогнозироваться заранее лишь в самых общих чертах.
Рассмотрим еще один пример. В реально проведенном учащимися исследовании выяснилось, что после кормления водная каспийская черепаха гораздо больше времени проводит на суше, чем до кормления. Этот факт позволил педагогу сформулировать условие проблемной биологической задачи, которая была решена уже другими школьниками. Условие задачи было таково: «В результате проведенного исследования выяснилось, что сытая каспийская черепаха находится на суше гораздо дольше, чем она же, будучи голодной. Подумайте и ответьте на вопросы:
1. Каким образом могли быть получены эти результаты? Предложите возможную методику проведения работы и регистрации результатов.
2. Как можно объяснить факт, приведенный в условии задачи? Предложите наибольшее число возможных гипотез.
3. Какие из предложенных гипотез кажутся вам наиболее вероятными и почему?
4. Какие причины могли исказить полученные результаты?»
Учащимся сначала зачитывается условие задачи, а затем — ее первый вопрос. Далее дается время для обдумывания ответов, после чего школьникам предоставляется возможность поочередно выступить со своимипредложениями. Может быть высказана, например, следующая идея: «Чтобы получить приведенные в задаче результаты, можно многократно фиксировать местоположение наблюдаемого животного сначала до кормления, а затем - после него. Потом нужно подсчитать количество регистраций животного на суше и воде до и после кормления, а результаты сравнить».
Обсуждая второй вопрос, школьники могут испытывать определенные затруднения. В этом случае им предоставляется следующая дополнительная информация: «Черепаха относится к холоднокровным животным с непостоянной температурой тела». Как правило, после получения дополнительной информации старшеклассники приходят к правильному объяснению наблюдаемого явления, которое можно выразить, например, следующим образом: «Вероятно, каспийская черепаха добывает корм преимущественно в воде. Будучи голодной, она много времени проводит в поисках корма в водной среде. Насытившись, черепаха выбирается на сушу и греется под лучами солнца (или его заменителя — электрической лампы), что повышает температуру тела этого холоднокровного животного и ускоряет процессы пищеварения». Данное объяснение поведения животного обычно оценивается учащимися как наиболее вероятное по сравнению с другими гипотезами, высказанными в процессе дискуссии.
Осуществляя поиск ответа на четвертый вопрос, школьники нередко называют следующие причины, которые могли привести к искажению полученных результатов: наблюдение проводилось только над одним
животным или очень непродолжительное время, поэтому результаты могли быть случайными; в процессе работы не фиксировались проявления тех или иных факторов среды; избранная методика регистрации результатов исследования была недостаточно совершенна. По существу, идет обсуждение научной достоверности полученных результатов.
Рассмотрим методику решения проблемных биологических задач исследовательской направленности еще на одном примере. На этот раз объект нашего обсуждения – лесные рыжие муравьи. Точнее, изучение их поведения в природе.
Школьникам может быть предложена задача следующего содержания:
В результате однодневного наблюдения выяснилось, что с ухудшением погоды активность муравьев на муравьиных тропах резко снижается.
1. Каким образом могли быть получены эти результаты? Разработайте возможную методику этого исследования.
2. Как можно объяснить результаты данного исследова¬ния? Изложите свои гипотезы.
3. Какие из высказанных гипотез кажутся вам наиболее вероятными и почему?
4. Какие причины могли исказить результаты исследова¬ния, сделать их недостаточно достоверными?
В процессе обсуждения проблемы школьниками могут быть предложены различные способы изучения активности муравьев. Например, следующие:
1. Рядом с муравьиной дорожкой положить линейку. Пер¬вый период исследования проводить в хорошую погоду. В дневнике наблюдения отмечать, какое расстояние пробегает каждый муравей за 10 секунд, после чего подсчитать среднее расстояние, преодолеваемое муравьем за 10 секунд в хоро¬шую погоду. Аналогичное наблюдение необходимо повто¬рить в плохую погоду.
2. Около муравьиной дорожки воткнуть вертикально две палочки таким образом, чтобы они ограничивали собой от¬резок длиной в 10 см. Этот отрезок должен быть располо¬жен параллельно соответствующему участку муравьиной тропы. В процессе регистрации результатов учитывается вре¬мя, за которое насекомое преодолевает 10-см отрезок пути. Около муравьиной дорожки можно воткнуть палочку, которая будет служить ориентиром в процессе проведения" наблюде¬ния. В определенном интервале времени (например, в пре¬делах 15 или 30 минут) следует подсчитывать число муравьев, про¬шедших мимо ориентира. Результаты наблюдения удобно заносить в дневник. Наблюдения желательно провести в хорошую и плохую по¬году.
Учитель уточняет ответы учащихся, активно помогает школьникам формулировать предложения, направляет мыс¬лительную активность учащихся.
Затем, в процессе дальнейшей беседы, школьникам пред¬лагается ответить на второй вопрос задачи, т. е. объяснить результаты, полученные в этом исследовании. Трактовка по¬лученных результатов является одним из важнейших иссле¬довательских умений. Объяснение полученных результатов требует от учащих¬ся актуализации имеющихся у них знаний по биологии.
В своих выступлениях школьники нередко отмечают, что сильный дождь может привести к гибели муравьев, оказав¬шихся вне муравейника. Кроме того, в дождливую погоду все насекомые, которые могли бы служить пищей муравьям, прячутся, поэтому охота на насекомых в дождливую погоду не может быть успешной для муравьев, а следовательно, она не имеет биологического смысла. Поэтому, по мнению уча¬щихся, муравьи в дождливую погоду находятся в муравей¬нике.
Некоторые учащиеся отмечают, что понижение температуры воздуха перед дождем может привести к замедлению протекания различных процессов в теле муравья. Это пони¬жает активность насекомого, в том числе скорость передви¬жения муравья по тропе, что, возможно, и было зафиксиро-вано в процессе исследования.
Высказанные учащимися гипотезы в краткой форме запи¬сываются на доске, после чего обсуждается их вероятность. После окончания этой подготовительной работы школь¬ники могут приступить к выполнению реального исследова¬ния, если его организация была запланирована педагогом.