Познавательные задачи в изучении биологии

Познавать не размышляя — бесполезно;

Размышлять не познавая — опасно.

Конфуций

На современном этапе развития общества, когда подверглись анализу проблемы обучения и психического развития школьников, возросла потребность в овладении процессами психического развития ребенка и возможностями подготовки его к тем общественным условиям, в которых он будет жить и работать.

Важным условием эффективности учебно-воспитательного процесса в школе является переосмысление не только отношений, но и структуры познавательных операций при обучении учащихся (идеи педагогики сотрудничества, активизации самостоятельной познавательной деятельности учащихся и др.). Правомерно выделение в самостоятельный метод решение задач. В обучении биологии этот метод наиболее часто применяется на уроках общей биологии при изучении вопросов цитологии и генетики.

Анализ школьной практики показал, что познавательные задачи почти не встречаются в учебниках и различных пособиях, большинство учителей не подготовлено к обучению школьников приемам решения и составления познавательных задач. Но наукой установлено: чем больше задач используется в обучении, тем больше учащиеся получают фундаментальных знаний. Значит, без использования познавательных задач учащиеся не осознают роли многих биологических законов, не обращаются к ним для понимания различных фактов и биологических явлений.

Важную роль познавательных задач в педагогическом процессе признают все, однако при изучении биологии широкое распространение получили вопросы-задачи, задания, а познавательные задачи очень редки. Причин здесь несколько:

• познавательные задачи малоизвестны учителю биологии;

• • нет разграничения, в каком случае это задача, а в каком задание;
• • неясно, как их решать.

В современной педагогике, психологии и других областях науки наряду с термином «задача» широко употребляются термины «проблема», «проблемная ситуация», задание и т. д.

Большое разнообразие видов задач и трудность выявления их общих типов привели к тому, что понятие «задача» различными авторами трактуется по-разному.

Понятие «задача» многозначно: узкое — задача как внешняя форма предъявления задания ученику, имеющая специфическую структуру (данные, условие и требования, цель действий) и выраженная в материальной форме (словах, знаках), и более широкое — задача как цель, данная в определенных условиях.

Отличие учебной задачи состоит в том, что ее цель и результаты направлены на изменение самого субъекта, на овладение им определенными способами действий. Поэтому понятие «учебная познавательная задача» представляется как описывающая какое-то явление учебная комбинация, формулировка которой содержит определенное противоречие и предполагает ряд учебных действий, приводящих к восстановлению связей, разрешению противоречий и решению задачи.

Любая учебная познавательная задача состоит из одних и тех же частей: условия, требования задачи, оператора задачи.

Так, Л. М. Фридман считает, что «условие задачи включает предметную область и отношения».

Предметная область — класс фиксированных объектов, предметов, о которых идет речь в задаче. Отношения связывают предметы, области (постоянные, переменные, элементы предметных областей и отношение считают известными (данными), если в условии задачи точно указаны их значение. Требование задачи — то, что необходимо установить в результате решения задачи. Оно формулируется в виде вопроса (сколько? почему?), в виде предложения (найдите, докажите, установите и т. д.). Оператор задачи — совокупность тех действий (операций), которые надо произвести над условием задачи, чтобы выполнить ее требование.

В настоящее время наиболее распространенным способом решения задач на уроках биологии является система устных рассуждений. Поэтому учащиеся такие «задачи» воспринимают как традиционные вопросы, вопросы-размышления. Часто встречается ситуация, когда учащиеся хорошо знают материал, но не умеют решить задачу, становятся в тупик. Прочитав условие, большинство не знают, с чего надо начинать решение задачи. Опыт использования в изучении биологии и экологии познавательных задач показал, что учащиеся, для того чтобы их решать и составлять, должны овладеть определенными обобщениями, знаниями и умениями (последовательностью действий по составлению и решению задачи, навыками решения, точностью выражения мысли, логикой мышления, умением делать обобщения и выводы).

Существуют различные подходы к решению учебных познавательных задач: в виде алгоритма (по формуле, схеме, предписанию), логической цепочки, с точки зрения ТРИЗ. Особенность учебных познавательных задач, используемых при изучении биологии и экологии, состоит в том, что многие из них имеют несколько путей рассуждений, приводящих к предполагаемому ответу, планируемым выводам.

Что значит решить задачу? Многие считают — найти ответ. Решение задачи — это не только ответ на вопрос-требование, а система умственных действий, приводящих к определенной форме записи условия задачи, постепенного ее решения и формулирования по ней выводов. В настоящее время, несмотря на практику использования в обучении познавательных задач, отсутствие ориентации на логику превращает процесс решения в процедуру расчетов и ни к чему не обязывающих общих рассуждений. Если же научить учителя и учащихся логике рассуждений, то тогда решение задачи станет активизировать мысль и вооружит их инструментом, позволяющим заглянуть в глубину явления, с которым мы встречаемся в задаче. Овладение логикой решения познавательных задач позволяет снять комплекс боязни, безразличия и неприятия подобных заданий.

Одна из идей — активация самостоятельной познавательной деятельности учащегося. Среди факторов, активно влияющих на развитие познавательной и мыслительной деятельности, ведущая роль принадлежит развитию мышления через формирование приемов умственной деятельности при выполнении различных заданий, решении и составлении познавательных заданий.

В зависимости от способа классификации одни и те же задачи могут быть отнесены к различным группам, поэтому любая классификация задач является неполной.

Для учебных целей достаточно удобной является классификация, разработанная профессором Е. Н. Демьянковым. Данная классификация задач представлена на рис. 15.1.

Теоретические задачи предполагают доказательство, нахождение закономерностей рассматриваемых явлений на основе известных учащимся теоретических положений. Эти задачи требуют применения только умственных действий, их можно использовать на всех этапах усвоения учебного материала.

Пример. Каким образом бабочки, питающиеся нектаром цветков или совсем не питающиеся, оказываются часто серьезными вредителями сельскохозяйственных растений? (Гусеницы).

Практические задачи применяются, когда требуется пронаблюдать и на основе теоретических предпосылок провести практическое выполнение.

Рис. 15.1. Классификация учебно-познавательных задач (по Е. Н. Демьянкову).

Пример. Набрали полную колбу С0₂ и закрыли ее, затем набрали такую же колбу 0₂ и закрыли. Как определить, в какой колбе находится 0₂, а в какой С0₂?

Экспериментальные задачи требуют теоретических и практических действий при проведении эксперимента. Для их решения учащиеся должны проанализировать происходящее явление, выяснить данные, необходимые для решения задачи, и произвести нужные действия.

Репродуктивные задачи требуют от учащихся воспроизведения имеющихся у них готовых знаний и используются чаще для закрепления материала.

Пример. Наибольшее число видов земноводных обитает в тропиках с их ровной температурой и большой влажностью. В умеренных широтах их мало, а в Арктике и Антарктике совсем нет. Почему?

Задачи продуктивного характера предполагают перенос изученных закономерностей в новые условия, внесение других данных в структуру задачи и поиск новых знаний.

Пример. Двое учащихся рассматривали коллекцию и обратили внимание на скорпиона. Один утверждал, что это представитель ракообразных, а другой — что скорпионы относятся к паукам. Кто из них прав? На рисунке паук, скорпион, а между ними рак.

Абстрактные задачи рассматривают явления в несколько отвлеченном свете. Поэтому требуют высокого уровня знаний, развитого мышления, воображения. Такие задачи лучше использовать при работе с сильными учениками и во внеклассной работе.

Пример. В знаменитом произведении английского писателя XVIII в. Д. Свифта «Путешествие Гулливера» мы встретили страну, населенную великанами, и страну, населенную лилипутами. Попытайтесь обосновать, возможно ли существование в действительности таких стран.

Задачи с конкретным содержанием рассматривают явление в ситуации конкретной действительности.

Пример. Воробьи и другие виды птиц любят купаться не только в воде, но и в мелком песке, пыли дорог. Объясните, почему птицы купаются.

Экологические задачи — это такие, которые содержат определенные сведения, требующие знаний о взаимоотношениях организма и охране природы.

Пример. После вселения в озеро всеядных рыб, питающихся, в частности, дафниями, численность дафний в озерах возросла. Предложите возможные гипотезы для объяснения этого факта.

Задачи-поговорки, как правило, содержат в своем условии образное выражение явления.

Пример. Правильны ли с научной точки зрения выражения «Волка ноги кормят», «Зарылся, как крот»? Обоснуйте свой ответ.

Гигиенические задачи — такие, которые содержат в условии гигиенические нормативы и требования, направленные на охрану и укрепление здоровья, на совершенствование функциональных возможностей организма детей, подростков и осуществляющие проверку их усвоения.

Пример. Великий мыслитель древности Аристотель утверждал: «Ничто так не истощает и не разрушает человека, как продолжительное физическое бездействие». Докажите или опровергните это утверждение.

Обучающие задачи — такие, на примере решения которых учитель показывает, как решаются те или иные типы задач (расчетная, качественная). Обучающей может быть наиболее типичная задача.

Тренировочные задачи — задачи с небольшими изменениями (цифровыми, ситуационными и т. д.), по принципу решения соответствующие обучающей.

Поисковые задачи — это такие, самостоятельное решение которых приводит учащихся к получению новых знаний на основании известных фактов, способов решения.

Творческие задачи — требуют поиска нового принципа решения проблемы, заложенной в условии. Деятельность ученика заключается в выявлении необходимых закономерностей. Основным принципом творческого процесса является необходимость отказаться от уже представленного в тексте требования и построить новое, по своему смыслу или частично не совпадающее с предыдущим.

Пример. Пищу человек захватывает зубами, замыкая ротовую щель, измельчает, пережевывает, стачивает слюной, формирует пищевой комок и проглатывает. Так ест человек. А как он пьет?

Ответ: при питье сосуд в жидкостью соприкасается с губами, человек выливает жидкость в ротовую полость и вдыхает воздух. Вдох создает расширение легких, вследствие чего понижается давление в полости рта, и жидкость в силу разности давления движется в глотку и дальше по пищеводу.

Учитель должен овладеть приемами составления задач. Известно, что ученик лучше усваивает материал, когда самостоятельно с ним работает, оперирует цифрами, терминами, понятиями.

К сожалению, в биологии этот способ активизации познавательной деятельности учащихся встречается редко.

Учебная познавательная задача содержит в себе противоречия при рассмотрении какого-то явления, предполагаемого в данной ситуации.

По своей структуре познавательная задача делится на 2 взаимосвязанные и взаимообусловленные части:

• — предпосылочную, несущую определенную информацию в скрытом или развернутом виде;
• — вопросительную. Вопрос может стоять в конце, начале, или середине задачи.

В условии задачи имеются данные часто в скрытом виде. Соотношение этих данных определит тип задачи:

• • с необходимыми данными;
• • недостающими данными;
• • наличием всех и добавлением избыточных данных;
• • недостатком необходимых и избытком ненужных.

По характеру описания можно условно выделить следующие виды задач:

• • утверждения известных фактов и отклонение от них;
• • обратная;
• • описание неизвестного явления.

Для составления задачи необходимо проанализировать имеющиеся данные и выделить основную идею задачи, в основе которой лежит биологическое, физическое или химическое проявление.

На основании формирования проблемы попытаться составить несколько вариантов условия задачи. Если необходимо, то найти и использовать дополнительный материал. Определить такой вопрос, чтобы он исходил из условия и отражал главную идею задачи. Затем окончательно сформулировать условие задачи и определить место вопроса в нем.

Часто в результате определения вопроса задачи условие ее приходится менять по сравнению с первоначальным вариантом.

Важное значение имеет форма выражения условия задачи:

• — задачи могут быть в одно предложение и содержать материал в скрытом виде;
• — могут содержать объемное описание, вопрос должен быть четким, конкретным.

Рассмотрим пример.

Предлагается следующая информация.

Учитель. Корни поглощают воду и минеральные вещества (исходная информация). Явление?

Ученики. (Выявление явлений) Явление поглощения корнями воды и минеральных веществ.

Учитель. Воду и минеральные вещества поглощают тонкие молодые корешки, которые расположены вблизи кончика корня (формирование проблемы). Сформулируем условие. Какой может быть по строению задача?

Ученики. Содержащая утверждение и факты, показывающие отклонение от нормы.

Воду и минеральные вещества поглощает корень, но не весь, а только тонкие молодые корешки, та их часть, которая расположена на кончике корня. (Установление связей, зависимостей, фактов, явлений).

Учитель. Вопрос задачи! Где его расположим?

Ученики. Почему? Вопрос расположим в конце условия.

Следовательно, данная задача может выглядеть следующим образом.

Воду и минеральные вещества, растворимые в ней, поглощает корень. Однако не весь корень, а только его тонкие молодые корешки, притом только та часть, которая расположена вблизи кончика корня. Почему?

Пример. Предлагается следующая информация.

При микроскопическом исследовании больного обнаружили повышенное содержание лейкоцитов в 1 мм³ — 30 тыс.

Учитель. Какое явление рассматривается. (Выявление явлений).

Ученики. Рассматривается явление изменения состава крови.

Учитель. Каким может быть условие задачи?

Ученики. При микроскопическом исследовании больного обнаружили, что лейкоцитов в 1 мм³ — 30 тыс., в то время как должно быть в 1 мм³ — 6—8 тыс. (Проблема) Это встревожило врача. Повышенное количество лейкоцитов в крови (в 1 мм³ — 30 тыс.) говорит о неблагополучии в организме. (Установление связей, зависимостей, фактов, явлений).

Учитель. Вопрос задачи.

Ученики. Почему?

Данная задача может выглядеть следующим образом.

При микроскопическом исследовании больного обнаружили, что лейкоцитов в 1 мм³ содержится 30 тыс., в то время как норма — 6—8 тыс. Дайте объяснение этому явлению.

При микроскопическом исследовании больного обнаружили повышенное содержание лейкоцитов: в 1 мм³ — 30 тыс. Это встревожило врача. Почему? При составлении познавательных задач по биологии Е. Н. Демьянков рекомендует использовать план. Такой план составления задачи представлен на рис. 15.2.

Процесс решения любой учебной познавательно задачи представляет собой определенную последовательность действий:

• • восприятие и осмысление содержания задачи;
• • поиск решения задачи;
• • выполнение плана решения;
• • проверка решения, выводы.

Рис. 15.2. План составления познавательных задач (по Е. Н. Демьянкову)

Особенность познавательной задачи по биологии в том, что многие из них имеют несколько путей рассуждений. Поэтому важно научить учащихся мыслить логически, приходя к предполагаемому ответу, выводам. Так, Е. П. Бруновт и Е. Т. Бровкина предлагают следующую последовательность действий:

• • учитель дает образцы решения задач и объясняет алгоритм рассуждений;
• • что ясно из условия;
• • что надо объяснить;
• • какие знания имеются о предмете задачи и какие нужны для ее решения.

Задание. Составьте задачи, используя предложенную информацию.

Большая берцовая кость массой 0,2 кг выдерживает груз массой в 1500 кг.

С какой дидактической целью можно применить эту задачу?

Большая берцовая кость в вертикальном положении может выдержать груз массой в 1500 кг, хотя ее масса только 0,2 кг. Объясните, почему кость, несмотря на свою легкость, столь прочна, тверда и упруга.

Эритроциты человека в три раза меньше эритроцитов лягушки. В 1 мм³ крови человека эритроцитов в 13 раз больше, чем у лягушки.

Задача. Эритроциты человека в три раза меньше эритроцитов лягушки, но их в 1 мм³ в 13 раз больше у человека, чем у лягушки. Как объяснить этот факт?

По группе крови можно установить личность человека.

Человека подозревали в убийстве, так как его одежда была перепачкана кровью. Следователь доказал, что он не убийца на основании знаний физиологии. Каким образом?

В мире животных ближе всего к человеку по строению и физиологическим особенностям человекообразные обезьяны. Однако ни один из видов современных обезьян не является для человека исходной предковой формой. Насколько обосновано подобное утверждение?

Другие исследователи предлагают решать познавательные задачи путем построения логической цепочки. Логическая цепочка — ход рассуждений, отображенный на бумаге. Она может быть разветвленной или неразветвленной. Разветвления возникают в том случае, если по ходу рассуждений возникло звено, требующее ответа на определенный вопрос, на который ученик самостоятельно не может ответить. В этом случае ученик выдвигает гипотезы и далее каждый вариант прорабатывается отдельно. Пусть какие-то гипотезы будут ошибочны, но при решении этих задач важно не только узнавать правильный ответ, но и обосновать его, так как часто, зная ответ на вопрос, учащиеся не могут доказать его правильность. При построении логической цепочки большое внимание уделяется именно интуитивному поиску, алгоритмов здесь нет. Сущность построения заключается в том, что на бумаге запечатлевается весь ход рассуждений: от первого, возникшего при чтении условия задачи вопроса до общего вывода.

Построение логической цепочки идет по схеме: «вопрос — ответ — выводы». При этом используются следующие условные обозначения:

? — вопрос,.

! — ответ, И — вывод,.

Ш — общий вывод.

Пример. Птицы широко распространены на Земле. Среди них встречаются крупные, мелкие экземпляры, а также такие, которые имеют тонкие ноги, длинный и острый клюв, длинную и тонкую шею. Предложите свои объяснения происхождению подобных приспособлений.

Решение

? Приведите несколько примеров мест обитания этих птиц.

! Густой лес, степь, мелководье и т. д.

? В какой из этих местностей наиболее удобны длинные и тонкие ноги?

! В густом лесу длинные и тонкие ноги могут быть помехой, так как вести наземный образ жизни опасно, а густые ветви будут мешать не только перемещаться, но даже находиться в неподвижном состоянии на дереве. Но вполне возможно, что на одиночных деревьях, лишенных густой кроны, таких птиц найти можно.

Для степных птиц важно вовремя заметить опасность. Здесь могут пригодиться длинные ноги (например, страусы), а вот у аистообразных они тонкие, а значит, слабо развиты.

По мелководью удобнее всего перемещаться на длинных тонких ногах.

• ? Птицы с тонкими длинными ногами, скорее всего, держатся на мелководье, их можно увидеть на одиночных деревьях с редкой кроной.
• ? Какие действия удобно проделывать длинной тонкой шеей? Длинным тонким клювом?

! Обладая гибкой шеей, птица может легко опустить голову под воду. Удобно с такой шеей доставать что-либо с поверхности воды. Такие птицы, скорее всего, обитают на мелководье.

? Место обитания — мелководье, можно увидеть на одиночных деревьях с редкой кроной, длинная гибкая шея и длинный клюв помогают птице доставать пищу, которую она находит на мелководье.

I У птиц, обитающих на мелководье, в процессе эволюции сформировались длинные ноги, длинная шея и длинный клюв, а также другие приспособления.

Решение задачи — не только ответ на вопрос задачи, а система умственных действий на основе анализа, рассуждений, приводящих к определенной форме записи условия задачи, постепенного ее решения и формулирования выводов по ней. Этому требуется систематически обучать. Для решения задач по алгоритму необходимо ориентироваться на схему, представленную на рис. 15.3.

Переформулирование задачи — важная часть ее решения. Краткая запись условия является начальным этапом абстрагирования содержания и ее переосмысления. Она может выглядеть как общепринятая сокращенная запись, применяемая при решении задач по физике, математике:

• • количественные данные записываются в виде чисел, генетических символов;
• • качественные признаки — в виде определенной системы рассуждений, в некоторых случаях с применением схем опыта (рис. 15.3).

Рис. 15.3. План деятельности по решению задачи

Таблица 15.1

Алгоритм записи задачи.

Любая познавательная задача, используемая в изучении биологии, выражает какое-то биологическое явление (группу явлений). Соотношение между искомыми и известными величинами содержатся внутри этого явления. Для того чтобы найти эти соотношения, необходимо не только знать сущность данного явления, систему его параметров, но и уметь эти элементы в данной задаче выделить. То есть анализ задачи сводится к выделению и анализу явления.

Результаты анализа условия задачи записываются. Краткую запись условия задачи на доске желательно выполнять цветными мелками, особенно первое время, пока учащиеся обучаются рассуждать, решать задачи.

Пример. Известен опыт, показывающий наличие корневого давления. Однако если поставить срезанные цветы в воду, то уровень воды в вазе быстро понижается, хотя корней нет. Почему? Оформление решение задачи представлено в табл. 15.2.

Таблица 15.2

Пример оформления задачи.

Задача

Летом многие пруды, а также аквариумы, стоящие у окон, «зацветают». Вода в них теряет свою прозрачность и становится зеленой. Почему это опасно для водоема?

Задача

Если печень исключить из большого круга кровообращения путем соединения «потока» крови от кишечника с нижней полой веной, то животное погибает в течение первых суток после такой операции. Почему?

Пути решения учебных познавательных задач могут быть различными. Главное условие — систематически их использовать в учебном процессе и учить школьников рассуждать, делать, где это возможно выводы.