В данной статье представлен опыт работы, демонстрирующий возможности программно-аппаратного комплекса afs и датчиков Vernier в формировании исследовательской компетенции учащихся, сборе и обработке информации, реализации основных дидактических принципов

МБОУ «СОШ № 30» города Новоалтайска,

член клуба «Учителя – новаторы Алтая»
Новые возможности при организации исследовательской деятельности по биологии
В данной статье представлен опыт работы, демонстрирующий возможности программно-аппаратного комплекса AFS и датчиков Vernier в формировании исследовательской компетенции учащихся, сборе и обработке информации, реализации основных дидактических принципов – наглядности, доступности, связи теории с практикой, научности.

Ускорение темпов обновления информационных технологий приводит к необходимости разработки адекватного содержания образования и соответствующих методов обучения. В условиях стремительного развития и расширения доступности открытых информационных сетей классическая схема передачи «готовых» знаний перестает быть главной задачей учебного процесса, снижается функциональная значимость и привлекательность традиционных методов обучения, что приводит к необходимости освоения новых педагогических средств и методов.

В связи с этим приоритетным направлением становится обеспечение развивающего потенциала новых образовательных стандартов. Отличительной особенностью нового стандарта является его деятельностный характер, ставящий главной целью развитие личности учащегося. Система образования отказывается от традиционного представления результатов обучения в виде знаний, умений и навыков, формулировки стандарта указывают реальные виды деятельности, которыми учащийся должен овладеть к концу обучения. Процесс обучения должен задавать содержание и характеристики учебной деятельности ребенка и тем самым определяет зону ближайшего развития универсальных учебных действий. В широком значении термин «универсальные учебные действия» означает умение учиться, т.е. способность субъекта к саморазвитию и самосовершенствованию путем сознательного и активного присвоения нового социального опыта. Существенное место в преподавании школьных дисциплин должны занять метапредметные учебные действия, под которыми понимаются умственные действия учащихся, направленные на анализ и управление своей познавательной деятельностью.

Новые требования образования диктуют условия по созданию современной образовательной среды, которая должна быть оснащена современным школьным оборудованием.

Такое оборудование есть, важно определить возможности этого оборудования в достижении конечных целей образования, заложенных в образовательных стандартах.

Главным является не просто оснащение школьных кабинетов оборудованием, необходимо с помощью этого оборудования обеспечить преемственность в обучении на всех этапах образования. Именно такими возможностями обладает инновационное оборудование AFS^ТМ, разрабатываемое производственно-консультационной группой «Развитие образовательных систем». В комплектацию программно-аппаратного комплекса входят датчики Vernier, с помощью которых возможно производить измерение и регистрацию различных параметров, а так же программное обеспечение, позволяющее визуализировать все полученные данные.

Определение цели, задач, объекта и предмета исследования, выдвижение гипотезы - это те умения, которые составляют методологию научного познания и формируют проектно- исследовательскую компетенцию.

При проведении демонстрации «Изучение степени защиты солнечных очков от ультрафиолета», учащимся было предложено определить цель исследования. Сначала было определено, что цель выступает критерием оценки результата исследования, на достижение которого направлена деятельность исследователя. Она формируется кратко, точно, выражает то основное, что намеревается сделать исследователь.

Изучив информацию из разделов «Теория» и «Справка», проанализировав результаты эксперимента, учащиеся предложили следующие цели предполагаемых работ:

«Выявление способов защиты от ультрафиолета», «Определение основных характеристик при выборе солнцезащитных очков».

После того как цель определена необходимо выбрать методы исследования. Учащиеся должны иметь представление о том, что метод исследования – способ, с помощью которого достигаются цели и решаются задачи исследования. Результат исследовательской работы во многом зависит от умения выбрать методы, так как именно они позволяют достичь цели. Формирование представлений об эмпирических и теоретических методах научного познания достигается путем вовлечения школьников в реальную экспериментальную деятельность, анализ информации, которая входит в программное обеспечение. Важной особенностью исследовательской деятельности является то, что исследование может привести к неожиданному результату. Общеизвестная истина – отрицательный результат, тоже результат. Иными словами исследователь не может прогнозировать точного результат своей деятельности, часто не знает всех сфер, где результаты его исследования могут быть применимы. Основная задача исследователя – добросовестно и максимально достоверно провести свой поиск, провести анализ результатов и найти им применение. В основе реализации данной задачи лежит умение владеть различными методами исследования. Благодаря инновационному подходу в организации экспериментальной части, появляется возможность расширения представлений учащихся об традиционных методах исследования.

1. Метод наблюдения – представляет собой активный познавательный процесс, опирающийся на работу органов чувств. Наблюдение как средство познания дает первичную информацию о мире. Используя программное обеспечение можно провести наблюдение за состоянием сердечно сосудистой системы человека во время стресса. Во время вводной беседы к эксперименту необходимо выяснить насколько дети могут определить для себя, что такое стресс. Чаще всего в понимании детей это реакция их организма, на какие - то ситуации связанные с нервными переживаниями. Большим открытием для них является тот факт, что кашель, резкий перепад температуры способен ввести наш организм в стрессовое состояние. С помощью датчика частоты сердечных сокращений (пульсометр) можно провести эксперимент «Изменение частоты сердечных сокращений во время кашля», который позволяет провести наблюдение за реакцией сердца на защитную реакцию организма от кашля. Эксперимент «Изменение частоты сердечных сокращений до и после стрессового воздействия», обеспечивает наблюдение за реакцией сердца на периферическое воздействие холодом. На примере данных экспериментов расширяется представление школьников о возможных объектах наблюдения. Возможности предмета биология позволяют организовать наблюдение за организмами, взаимосвязью между объектами живой природы и условиями среды. С помощью программного обеспечения школьники могут вести визуальное наблюдение за физиологическими процессами. Для того чтобы наблюдение имело значимый результат для исследования, необходимо проводить его целенаправленно, систематично, планомерно. Полученные результаты требуют сравнения и анализа.

2.Метод сравнения – позволяет установить сходство и различие предметов и явлений действительности. В результате сравнения выявляются общие признаки. Сравнивать необходимо лишь такие явления, между которыми может существовать определенная объективная связь. Сравнение должно вестись за существенными, важными признаками. Демонстрация «Изучение функционального состояния сердечно - сосудистой системы до и после физической нагрузки» дает возможность сравнить изменения кровяного давления и частоты сердечных сокращений до и после физических нагрузок. Следовательно, этот эксперимент может быть использован при выполнении работ, целью которых является формирование навыков здорового образа жизни. Такие же возможности позволяют реализовать эксперименты к демонстрациям «Изучение функциональной активности сердечно - сосудистой системы» (сравнивается частота пульса за разные отрезки времени), «Изучение функции дыхания человека» (сравнение частоты дыхательных движений до и после физических нагрузок).

3. Метод измерения – это определение численного значения некоторой величины посредством единицы измерения. Ценность измерения в том, что оно дает точные, количественно определенные сведения об окружающей действительности. Важнейшим показателем качества измерения, его научной ценности является точность, которая зависит от усердия исследователя, от применяемых им методов. Но главным образом точность зависит от использующихся и применяемых измерительных приборов. С помощью датчика содержания кислорода и датчика температуры можно провести эксперименты «Изучение потребления кислорода во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе»,

« Исследование изменений температуры и концентрации кислорода во вдыхаемом и выдыхаемом воздухе». Результаты измерений позволяют сделать выводы об образе жизни, который ведет исследуемый, разработать рекомендации, провести мониторинг над состоянием организма.

4. Эксперимент предполагает вмешательство в естественные условия существования предметов и явлений. Это значит, что с помощью эксперимента можно воспроизвести отдельные стороны предметов и явлений, создать специальные условия и получить возможность изучить предмет или явление без осложняющих обстоятельств.

Актуальной целью школьного исследования является формирование культуры правильного питания. Навык определения «правильных» и «неправильных» продуктов как одного из аспектов рационального питания необходимо формировать с детства. Формировать его можно по-разному, но более наглядным является экспериментальное исследование процессов пищеварения. Так как этот процесс является внутренним, то для визуального изучения мы его можем воспроизвести с помощью датчика содержания pH и экспериментальной части к нему. Исследование активность фермента желудочного сока пепсина в растворах различной кислотности, позволяет нам рассмотреть процесс пищеварения в желудке и выяснить, при каких значениях pH он наиболее активен. Кроме того наглядно увидеть какие пищевые продукты замедляют или ускоряют процесс расщепления белка, а также степень их воздействия на стенки желудка. С помощью того же датчика можно исследовать изменение pH яблочного сока под действием слюны человека.

5. Помимо эмпирических (опытных) методов исследования есть теоретические, это анализ и синтез.

Изучение слаженности работы сердца и легких проводится с помощью датчика частоты сердечных сокращений (пульсометр) и датчика дыхательных движений (поясного датчика). В ходе эксперимента определяется частота сердечных сокращений, частота дыхательных движений, рассчитывается индекс слаженности работы сердца и легких

(индекс Хильдебрандта). Анализ полученных данных позволяет сделать вывод о слаженности работы сердца и легких.
Организация работы с оборудованием

Так как экспериментальная часть организуется через использование инновационного оборудования, то школьников нужно познакомить с оборудованием, принципами его работы, методикой проведения демонстрационных и лабораторных работ.

При проведении экспериментальной части к исследовательской работе, все участники эксперимента должны быть ознакомлены с техникой безопасности. Инструктаж носит дифференцированный характер, содержание которого зависит от характера эксперимента и датчиков, с помощью которых он будет осуществляться. Если эксперимент проводится в кабинете биологии, то к общим правилам по технике безопасности при проведении практических работ в кабинет биологии добавляются специальные. Так при работе с датчиками, которые определяют состояние сердечно сосудистой и дыхательной систем, необходимо предупредить учащихся о запрете участия в эксперименте в качестве испытуемого, если физическое напряжение может вызвать обострение какого- либо заболевания. Приступая к работе с датчиком УФ-В излучения нужно его откалибровать по относительной интенсивности излучения. Так как положение датчика должно быть направлено прямо на солнце, то учащиеся должны знать, что нельзя смотреть прямо на солнце, необходимо воспользоваться тенью датчика.

При выполнении эксперимента «Определение мутности воды из разных источников» инструкция должна содержать информацию о правилах поведения в природе и правилах взятия проб воды. Эти инструкции являются типовыми, традиционно используются для организации исследования в природных условиях. Кроме этого каждая экспериментальная часть содержит инструкции о подготовке датчика к работе, порядке подключения датчика к компьютеру, порядке проведения исследования. Важным является четкое выполнение этих инструкций.

Для выполнения исследовательской работы обязательным является сохранение всех, даже промежуточных результатов, которые в дальнейшем подвергаются тщательному анализу и позволяют сделать выводы и оформить заключение по исследованию. Для того, чтобы сохранить полученные данные достаточно воспользоваться кнопкой «Сохранить», если есть необходимость получить текстовую информацию, то можно воспользоваться кнопкой «Печать».

Цифровая естественно - научная лаборатория

Одним из направлений организации активной познавательно деятельности является развитие научно- технических способностей учащихся в рамках учебной и внеурочной деятельности. Современное оборудование и программное обеспечение к нему обеспечиваются межпредметную интеграцию и развитие творческих способностей через использование робототехники. Возможности робототехники расширяются, если использовать LEGO- робота как цифровую естественно - научную лабораторию, для этого необходимо объединить возможности робота MINDSTORMS NXT с датчиками Vernier. Использовать такой робототехнический комплект на уроках биологии нецелесообразно, но можно через внеурочную деятельность учащихся. Появляется возможность поведения ряда небольших исследовательских работ, при проведении которых формируется абсолютно новый опыт исследовательского поведения через взаимодействие учащихся разного возраста. Наиболее эффективна организация групповых исследований, в ходе которых учащиеся приобретают опыт работы в команде. Так как одним из направлений такой деятельности является сборка и программирование самих роботов, то учащиеся, хорошо владеющие ИКТ - компетенциями, обладающие техническим складом ума, берут на себя выполнение подготовки оборудования к исследованию. Учащиеся, владеющие исследовательскими компетенциями, реализуют экспериментальную часть.

Таким образом, могут быть организованы исследования по измерению качества атмосферного воздуха, мутности и Ph фактора воды в природных водоемах, Ph фактора почвы. С помощью датчика содержания кислорода возможно проведение экспериментальной части к исследовательской работе «Роль растений в накоплении кислорода». Датчик УФ-В излучения, адаптер датчика Vernier NXT и интеллектуальный блок LEGO NXT позволяют осуществить сбор данных о степени защиты от ультрафиолета с максимальной точностью, так как калибровка датчика проводится с помощью программного обеспечения. При этом даже не обязательным является сборка модели робота, что сокращает время проведения экспериментальной части.

Главная задача современного учителя состоит в том, чтобы «научить учиться», помочь учащимся самостоятельно осваивать знания и создавать собственные образовательные траектории, а также формировать качества личности и ценностные отношения к окружающей действительности. Для решения этих задач учителя могут построить свою работу, опираясь на конкретный опыт учеников, а также воспользоваться междисциплинарным подходом, который интегрирует содержание предметов и позволяет учитывать способности каждого.