Биология: предмет, задачи, методы исследования, связь с другими науками. Значение биологии

Урок 1. Биология: предмет, задачи, методы исследования, связь с другими науками. Значение биологии

Цели: познакомить учащихся с задачами и содержанием школьного курса “Основы общей биологии”; сформировать у учащихся четкое представление о современных проблемах общей биологии и понимание актуальности биологических исследований для человека и общества; сформировать знания об основных методах биологического исследования.

Оборудование: таблица-схема: “Комплекс биологических наук и межпредметных дисциплин”, рисунки пчелы и мухи.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Знакомство с организацией учебных занятий по курсу “Основы общей биологии” (Введение в общую биологию и “экологию”, знакомство со структурой учебника и правилами работы с ним)

III. Изучение нового материала

— Что такое биология?

— Составьте синквейн понятия “биология”.

Правила составления синквейна.

В синквейне 5 строк:

1 — понятие (слово);

2 — прилагательные (два слова);

3 — глаголы (три слова);

4 — предложение (из четырех слов);

5 — существительное (одно слово).

Прилагательные и глаголы должны раскрывать понятие, а предложение — иметь смысловой характер.

Пример синквейна:

1. Биология.

2. Интересная, значимая

3. Открывает, изучает, экспериментирует.

4. Помогает понять живую природу.

5. Наука.

— Биология — наука о жизни. Название ее образовано путем сочетания двух греческих слов: “биос” — жизнь и “логос” — слово, учение. Биология изучает проявления жизнедеятельности всех живых организмов — бактерий, грибов, растений и животных.

— В зависимости от предмета изучения биологию подразделяют на отдельные науки, характеризующиеся высочайшей специализацией и одновременно тесным их взаимодействием.

Далее учитель демонстрирует схему “Комплекс биологических наук” и кратко характеризует каждую науку.

Слово учителя. Мир бактерий и вирусов изучает микробиология, строение и жизнедеятельность растений служат предметом ботаники, сведения о животных собирает и систематизирует зоология, грибы изучает микология, а человека — антропология.

В частной микробиологии, частной ботанике, частной зоологии и частной микологии исследуются особенности строения и жизнедеятельности каждого отдельного вида. В общих разделах этих дисциплин изучаются свойства, присущие всем организмам данной формы живого. Главные направления этих наук: морфология — учение о внешнем строении, структуре объектов живой природы (морфология растений, морфология животных и т.д.); физиология — учение о функциях живых организмов; анатомия — наука о внутреннем строении существ. К классическим наукам биологического цикла также можно отнести и систематику (систематика растений, систематика животных, систематика грибов и др.), экологию (экология растений, экология животных, экология грибов и др.), палеонтологию (палеоботаника, палеозоология и др.).

Выявление и объяснение общих свойств и многообразия живых организмов — задача общей биологии. Эволюционное учение, представления о развитии органического мира, основы общей экологии и учения о биосфере, цитология, гистология, закономерности индивидуального развития организмов, основы генетики и селекции являются предметом изучения общей биологии. К изучению этих областей знаний мы и приступаем в этом учебном году.

В самых разных областях биологии все большее значение приобретают пограничные дисциплины, связывающие биологию с другими науками — физикой, химией, кибернетикой и др. Так возникли биофизика, биохимия, биокибернетика, бионика, радиобиология и др., каждая из них обладает своими методами исследования, раскрывающими новые стороны организации и функционирования таких сложных и совершенных саморегулирующихся систем, как живые организмы. Например, без знания физики невозможно понять работу нервной системы организма, без знания химии — разобраться во множестве процессов, происходящих внутри клеток, широкое внедрение математики вызвало рождение биометрии, позволило выявить статистические закономерности биологических явлений и т.д.

Биология относится к фундаментальным наукам, так как ее выводы имеют основополагающее теоретическое и прикладное (практическое) значение. Предметы биологического цикла — теоретическая основа для целого ряда специальных дисциплин, таких как медицина, агрономия, ветеринария, зоотехния, звероводство, рыбоводство, птицеводство, лесоводство и т.д. Это значит, что здравоохранение, сельское хозяйство, промышленность (легкая, пищевая, медицинская, химическая, лесная) — базируются на тех знаниях и достижениях, которыми характеризуется современный уровень биологии.

Благодаря достижениям биологии все большее значение приобретает биотехнология — новое направление материапьного производства. Достижения биотехнологии позволяют получать промышленным путем необходимые для человека вещества (антибиотики, витамины, гормоны и т.д.).

Таким образом, биология — комплексная наука, сформировавшаяся в результате дифференциации и интеграции разных научных дисциплин. Интеграция наук помогает в решении самых сложных, синтетических по своей природе проблем.

IV. Беседа по вопросам

— Как вы думаете, какова роль биологии в современном обществе, какова роль биологических знаний в нашей жизни?

— Согласны ли вы с утверждением, что биология — ведущая наука XXI века? Какие крупные открытия сделаны в последние годы?

— Для решения каких глобальных задач человечества необходимы знания биологии?

— Мы начинаем изучение общей биологии в 9 классе, уже имея большой запас знаний. Химия и физика, ботаника и зоология, история и география, анатомия и математика — нельзя отделить эти науки друг от друга. Эти и многие другие науки помогут нам разобраться в вопросах общей биологии.

— Как мы уже отмечали ранее, основной задачей общей биологии является выявление и объяснение общих свойств и многообразия живых организмов, нахождение общих закономерностей в живой природе.

— Откройте учебник на с. 301—304 (учебник А.А. Каменского) или с. 236—237 (учебник И.Н. Пономаревой), прочтите названия предложенных разделов и тем. Какой из них наиболее интересен и привлекателен для вас и почему? Где вы сможете использовать полученные знания?

V. Заключительный этап урока

Исследование живого мира всегда было одной из важных сторон деятельности человека. Сначала от этого зависела его жизнь. Людям необходимо было знать, какие из населяющих Землю миллионов живых организмов — растений, животных, бактерий, грибов — можно использовать в пищу, для изготовления одежды, в качестве лекарственных средств или для устройства жилья, а какие опасны или ядовиты. Лишь позднее человек смог позволить себе такую роскошь, как занятия наукой с познавательной целью. Люди стали изучать организмы более тщательно, собирали их, классифицировали и составляли списки растений и животных, населяющих разные места. В этот период изучение живых существ обычно называли естественной историей, не считая ее наукой. Однако естественная история послужила предшественницей биологии, представляющей собой настоящую науку (как самостоятельная наука биология оформилась в XIX веке в связи с осознанием качественной специфики ее объекта — жизни).

• Наука — сфера человеческой деятельности, духовное производство, направленное на выработку и систематизацию объективных знаний о деятельности, одна из форм общественного сознания, феномен культуры.

Признаки науки: объект и предмет исследований, методы, научный язык, теории, законы, понятия, сообщества ученых, исследовательские и учебные институты и др.

Главное отличие естественных наук, таких как биология, химия или физика, от гуманитарных, таких как искусствоведение или литературоведение, состоит в том, что в естественных науках для получения ответов на вопросы используется эксперимент. Эксперимент — один из наиболее важных методов, применяющихся в биологии.

Что же такое метод?

Метод (от греч. “methodos” — путь, способ познания, исследования) — способ практического и теоретического действия, направленного на овладение объектом.

Для биологической науки характерны следующие методы исследования:

Метод моделирования позволяет воспроизвести такие экспериментальные условия, которые в реальности воссоздать порой не представляется возможным. Модель — форма и средство познания, любая система (воображаемая или реально существующая), отражающая оригинал, заменяющая его и дающая информацию о нем.

Можно попросить учащихся подобрать примеры использования методов биологических наук из ботаники, зоологии, анатомии и физиологии человека.

— Рассмотрим этапы научного исследования на конкретном примере.

Учебник А.А. Каменского §2, с. 7—9, выписать этапы научного исследования.

С учащимися, работающими по учебнику И.Н. Пономаревой, проводится беседа.

— Научное исследование обычно начинают с наблюдений над тем, что происходит в природе, после чего исследователи пытаются обобщить сделанные наблюдения. Например, вы собираете насекомых и замечаете, что у многих из них имеются черные и желтые полоски. Многие считают, что все это пчелы или осы, поэтому обращаются с ними осторожно. Однако при более внимательном обследовании можно обнаружить у некоторых из них признаки, свидетельствующие о том, что это мухи, а не пчелы.

Учитель демонстрирует рисунки мухи и пчелы.

— Между этими двумя насекомыми есть различия: у мухи большие глаза и короткие антенны, а у пчелы глаза меньше и антенны длиннее и тоньше. Кроме того, у пчелы две пары крыльев, а у мухи — одна, но это бывает трудно разглядеть.

— Научное исследование можно разделить на несколько этапов:

Постановка проблемного вопроса

Какой вопрос возникает при осмыслении наблюдаемого?

Можно ли считать простым совпадением то, что эти мухи отличаются от своих близких родичей — комнатных мух — и похожи на неродственных им пчел?

Для того чтобы ответить на такой вопрос, нужны какие-то идеи или гипотезы, которые позволяют объяснить сделанные наблюдения.

(Гипотеза (от греч. “hypothesis” — основание, предположение) — проблематичное, недолговечное знание; научное предположение, выдвигаемое для объяснения каких-либо явлений.)

Выдвижение гипотез

Так, можно предположить, что сходство с пчелами защищает мух от поедания хищниками. Или, сходство с пчелами позволяет мухам, обманув пчел, проникнуть в улей и полакомиться медом.

Какие гипотезы можно выдвинуть еще?

(Учащиеся высказывают свои гипотезы.)

Разработка и проведение эксперимента

Следующий шаг состоит в том, чтобы разработать и провести эксперименты, которые позволят проверить выдвинутые гипотезы. Некоторые гипотезы для науки бесполезны, потому что их нельзя проверить. Например, гипотеза о том, что “хищники принимают безобидных мух за опасных пчел” не поддается проверке, так как невозможно узнать, о чем думает то или иное животное. Но даже если гипотезу можно проверить, это обычно не удается сделать непосредственно; надо прежде придумать какое-нибудь вытекающее из нее и поддающееся проверке предсказание.

Допустим, что вы на основе первой гипотезы о том, что окраска мухи защищает ее от хищников делаете следующее предсказание: если данный хищник был ужален пчелами и научился не трогать их, то он не станет нападать на муху, которая выглядит как пчела. Это предсказание можно проверить? И снова вопрос. Как?

Для проведения соответствующего эксперимента нужен хищник, питающийся насекомыми. Таким хищником может быть, например, жаба, которая ловит насекомых, летающих или ползающих поблизости от нее.

Если в садок с “неопытной” жабой, ранее не встречавшейся с пчелами, выпустить этих насекомых, то она поймает несколько штук, будет ужалена и откажется от дальнейшей охоты. Если затем, поместив в садок муху, имеющую полосатую, черную с желтым окраску, можно убедиться, что жаба откажется от этой мухи, то, следовательно, наша гипотеза, согласно которой сходство мухи с пчелой спасает ее от хищников, подтвердится.

Но, быть может, пчелы здесь совсем ни причем. Быть может, жабы просто не едят полосатых мух. Чтобы проверить это, придется использовать еще одну “неопытную” жабу. Если окажется, что жаба охотно пожирает мух в черную и желтую полоску, то значит, мы получим дополнительное подтверждение гипотезы о том, что преимущество полосатого наряда мухи объясняется его сходством с окраской пчелы.

Но можно ли на этом остановиться?

Настоящий научный эксперимент должен непременно сопровождаться контрольным экспериментом, который отличался бы от основного эксперимента одним (и только одним) фактором.

Задание. Разработать эксперимент (спланировать ход, создать необходимые условия для его проведения, подобрать оборудование).

Необходимо, чтобы обе используемые в эксперименте жабы практически не отличались друг от друга, то есть принадлежали к одному виду, были одного возраста, имели одинаковые размеры. Их следует содержать в одинаковых садках, при одинаковых условиях освещения, температуры, влажности и т.п. Единственное различие между ними должно состоять в том, что одна жаба уже имела возможность столкнуться с пчелой, а другой жабе такой случай не представился. Без контрольного эксперимента может возникнуть мысль, что жаба отказывается от полосатых мух по какой-то иной причине, не учтенной нами, например, потому что она не голодна, мы сделаем ошибочное заключение, что дело здесь в сходстве с пчелами.

(Фактически можно провести еще один контрольный эксперимент, предложив первой жабе безобидную комнатную муху после того, как она откажется от полосатой мухи: это позволит проверить, действительно ли жаба сыта.)

Анализ полученных результатов

Итак, мы провели хорошо поставленный научный эксперимент. Какие выводы мы можем сделать? Вернемся снова к гипотезе: “Сходство мухи с пчелами защищает ее от хищников”.

Удалось ли нам доказать это?

Определение круга нерешенных вопросов

Оказывается, нет, мы всего лишь показали, что одна жаба отказалась от полосатой мухи после того, как она научилась отказываться от пчел, тогда как другая жаба, никогда не имевшая дела с пчелами, поедала полосатых мух.

Исследователи не принимают результаты эксперимента до тех пор, пока не убедятся в их воспроизводимости. Возможность многократного воспроизведения результатов позволяет избежать ошибок двух типов. Во-первых, при проведении эксперимента можно допустить случайную ошибку: например, перепутать жаб, перепутать мух с пчелами, записать результаты не в ту графу в журнале, напугать жабу, произведя сильный шум (ошибки безграничны даже в таком простом эксперименте). Во-вторых, на результаты может повлиять ошибка выборки. Мы использовали очень небольшую выборку, только двух жаб — эти жабы почти наверное в каких-то отношениях не могут служить адекватными представителями популяции в целом. Достоверность результатов можно повысить, если многократно повторить эксперимент, используя большое число жаб и в точности воспроизводя те же условия. Сколько следует использовать жаб? Чем больше, тем лучше.

Формулирование выводов

Гипотеза, подтвержденная многочисленными и разнообразными данными, полученными в результате воспроизводимых экспериментов, обычно считается теорией и в конце концов рассматривается как научно установленный факт.

Фактами принято считать предметы или события, которые повторяются закономерно или о которых у нас имеются бесспорные данные.

Таким образом, любой экспериментатор должен хорошо знать, что такое цель, объект и гипотеза научного исследования; сущность научного эксперимента; методика проведения наблюдения и опыта; повторный опыт, варьирующий фактор; научная достоверность результатов, погрешность и т.д.

Итак, последовательность выполняемых действий (алгоритм) при проведении научного исследования:

1. Постановка проблемы, формулирование темы, целей и задач исследования.

2. Выдвижение гипотез.

3. Планирование хода исследования, выбор методики.

4. Проведение практической части исследования, регистрация качественных и количественных результатов.

5. Обработка полученных результатов.

6. Анализ полученных результатов.

7. Формулирование выводов.

8. Определение комплекса нерешенных вопросов.

9. Оформление итогов исследования.

Это можно изобразить в виде такой схемы:

VI. Закрепление изученого

— Какова основная цель науки?

— Что такое научный метод? В чем его основной принцип?

— Что такое научный эксперимент?

— Какой факт может считаться научным?

— Чем гипотеза отличается от закона или теории? (Опытным путем (эмпирически) подтвержденная гипотеза становится теорией или законом.)

Домашнее задание

§1, вопросы после параграфа, записи в тетради.

Выполнить задание:

Как можно проверить правильность гипотезы о том, что черные и желтые полоски позволяют мухе проникать в пчелиный углей и похищать мед.

По учебнику А.А. Каменского §1,2, вопросы после параграфа, термины.

Выполнить задание:

Наблюдения показали, что после очень сильного дождя дорожки бывают усеяны мертвыми дождевыми червями. Сформулируйте проблему, выдвиньте гипотезу(ы) и предложите эксперимент, который можно провести для ее доказательства.