РЕАЛИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПРОБЛЕМНО-ОРИЕНТИРОВАННОГО ОБУЧЕНИЯ БИОЛОГИИ НА ПРИМЕРЕ ТЕМЫ «ХРОМОСОМНАЯ ТЕОРИЯ НАСЛЕДСТВЕННОСТИ»

REALIZATION OF THE TECHNOLOGY OF PROBLEM-BASED-LEARNING BIOLOGY ON THE EXAMPLE OF THE THEME «THE CHROMOSOMAL THEORY OF HEREDITY»

Aleksei Afonin

Liudmila Bulavintseva

Aleksandr Napreenko

АННОТАЦИЯ

Обоснована необходимость использования проблемно-ориентиро­ванных методов обучения биологии. Проанализированы положительные и отрицательные стороны проблемно-ориентированного обучения. Проанализированы недостатки информационных лекций классичес­кого типа. Предложен оригинальный пошаговый алгоритм построения проблемной лекции по схеме: первичный синтез – проблемная ситуация – дополнительная информация – выдвижение и верификация гипотез – анализ – вторичный синтез – контрольный вопрос. Для выдвижения гипотез использована диалектическая триада «тезис – антитезис – гипотеза». Выбор гипотез производится по схеме «принять – отклонить». На основании разработанного алгоритма построения проблемной лекции предложены рекомендации по дифференцирован­ному использованию технологий проблемно-ориентированного обучения в общеобразовательной и высшей школе.

ABSTRACT

The necessity of using problem-oriented methods of teaching biology. Analyzed positive and negative sides of problem-based learning. Analyzed the shortcomings of information lectures on classical type. The original step-by-step algorithm for problem lecture according to the scheme: a primary synthesis – problematic situation – additional information – nomination and verification of hypotheses – analysis – the secondary synthesis – control question. For the hypotheses used dialectical triad «thesis – antithesis – hypothesis». The choice of hypotheses is made on a «accept – reject». Based on the developed algorithm lectures offered recommendations for a differentiated use of technology problem-based learning in secondary and higher education.

Ключевые слова: обучение биологии, активные методы обучения, интерактивные методы обучения, проблемное обучение, проблемно-ориентированное обучение, проблемная лекция.

Keywords: learning biology, active learning methods, interactive learning methods, problem learning, problem-based learning, problem lecture.

Согласно Федеральному закону «Об образовании в Российской Федерации» (N 273-ФЗ от 29.12.2012), «среднее общее образование направлено на дальнейшее становление и формирование личности обучающегося, развитие интереса к познанию и творческих способ­ностей обучающегося, формирование навыков самостоятельной учебной деятельности» [1, ст. 66, п. 3]. В соответствии с требованиями Федерального государственного образовательного стандарта среднего (полного) общего образования (ФГОС СПОО № 413, 2012), к важнейшим метапредметным результатам обучения относятся: овладение навыками разрешения проблем и способность к самостоятельной информационно-познавательной деятельности [2, ст. 8]. К предметным результатам освоения углубленного курса биологии предъявляется такое требование как овладение умениями выдвигать гипотезы на основе знаний об основополагающих биологических закономерностях и законах [2, ст. 9].

Для решения поставленных задач необходимо развитие и внедрение современных интенсивных методов обучения, направленных на активизацию учебно-познавательной деятельности обучающихся. Проблемно-ориентированное обучение (ПОО) – это целостная стратегия, основанная на доминировании в учебном процессе активных и интер­активных подходов: личностно-ориентированного, деятельностного, компетентностного [12, 13, 14]. Технологии ПОО исключительно разно­образны и постоянно развиваются и совершенствуются [9, 10, 11]. Однако в основе этих технологий лежит проблемно-ориентированная лекция (в высшей школе) или проблемно-ориентированный урок-лекция (в общеобразовательной школе) [8].

Проблемно-ориентированная лекция (или проблемно-ориентиро­ванный урок) обладает рядом дидактических преимуществ перед клас­сической (информационной, трансляционной) лекцией вертикального типа [7, 8]:

• В большей степени обеспечивает не запоминание, а понимание учебного материала, и далее – способность использования теорети­ческих знаний для решения практических задач.
• Снижается монотонность образовательного процесса и, как следствие, повышается интерес к изучаемому предмету; возрастает внутренняя мотивация к образованию.
• Формируется доброжелательная атмосфера сотрудничества в системах вертикального взаимодействия «учитель–ученик» (пассивный режим монолога), «учитель–ученик–учитель» (активный режим диалога) и горизонтального взаимодействия между обучающимися (интер­активный режим сотрудничества).

Однако на практике технологии проблемно-ориентированного обучения внедряются с большим трудом. Причины недостаточного использования методов проблемно-ориентированного обучения многообразны [13, 14]:

• Элементарный консерватизм и учителей, и учеников. Стремление следовать установившимся традициям.
• Проблемно-ориентированное занятие требует много времени для усвоения и закрепления определенной суммы новых знаний.
• Проблемно-ориентированное обучение имеет смысл в том случае, если действительно существует реальная проблема – сложная задача, имеющая множество вероятностных решений.
• Проблема должна быть актуальной, интересной, необычной, нестандартной.
• Проблема не должна разрешаться с помощью репродуктивных образовательных технологий. Сверхзадача ПОО – выдвижение новых идей и стремление к новым знаниям.
• Повышенные требования к квалификации педагогического коллектива: каждый преподаватель должен быть как хорошим предметником, так и хорошим организатором учебного процесса.
• Повышенные требования к общеинтеллектуальной подготовке обучающихся. Возможность решения проблемы должна базироваться на наличии у коллектива обучающихся некоторой критической суммы знаний.
• Проблема, предлагаемая для обсуждения, не должна быть чрезмерно сложной для определенного контингента обучающихся. Интенсивная мыслительная деятельность приводит к утомлению и развитию негативных реакций отторжения.
• Сложность и неоднозначность объективной оценки результатов работы обучающихся.

Существует множество способов уменьшить негативные стороны ПОО и усилить его позитивную составляющую. Сравним принципы построения лекции (урока-лекции) при использовании классического и проблемно-ориентированного подходов на примере темы «Хромо­сомная теория наследственности» (раздел Общая биология, Генетика).

Классическая лекция (или урок-лекция) представляет собой изложение фактического материала в режиме монолога (по существу, в виде объяснительного рассказа с конспектированием части материала). Для активизации познавательной деятельности обучающихся исполь­зуются элементы диалога в виде беседы (активная лекция) или дискуссии (интерактивная лекция). Для уменьшения утомляемости аудитории используются элементы игры и иллюстрирование учебного материала с использованием средств визуализации. Таким образом, современные классические лекции или уроки-лекции носят гибридный характер. Однако во всех случаях новый материал излагается преподавателем линейно, в виде последовательных информационных блоков. Например, развернутый план лекции по теме «Хромосомная теория наследственности» может выглядеть следующим образом:

1. История открытия хромосом. Первые описания делящихся клеток в первой половине XIX века. Работы Ж.Л. Прево и Ж.Б. Дюма (1824), М. Рускони (1826), Б. Дюмортье (1832), К. Бэра (1845), В. Гофмейстера (1849). Продолжение изучения делящихся клеток во второй половине XIX века, первые зарисовки хромосом. Работы Э. Руссова (1872), А. Шнейдера (1873), И.Д. Чистякова (1874), Э. Страсбургера (1875), В. Флемминга (1882), ван Беденена (1883). В 1888 г. В. Вальдейер предложил термин хромосома.
2. История создания хромосомной теории наследственности.

2.1. Гипотезы о ведущей роли хромосом в хранении и передаче наследственной информации. Работы Т. Бовери и У. Сэттона (1903).

2.2. Открытие сцепленного наследования признаков. Работы У. Бэтсона и Р. Пеннета (1906).

2.3. Работы Т.Х. Моргана и его сотрудников: А. Стёртеванта, К. Бриджеса, Г. Мёллера (1913–1915). Наследование признаков у мушки дрозофилы при абсолютном сцеплении и кроссинговере. Описание опытов, гибридологический анализ.

3. Хромосомная теория наследственности. Основные положения:

1) Ген – элементарный наследственный фактор – представляет собой участок (локус) хромосомы.

2) В одной хромосоме могут содержаться тысячи генов, расположенных линейно. Эти гены образуют группы сцепления.

3) Если гены сцеплены между собой, то возникает эффект и сцепленного наследования признаков. 

4) Сцепление генов не абсолютно. В результате кроссинговера образуются кроссоверные хромосомы, а затем и кроссоверные особи, у которых появляются новые сочетания признаков.

5) Вероятность появления новых сочетаний признаков вследствие кроссинговера прямо пропорциональна физическому расстоянию между генами.

4. Генетические карты. Принципы построения генетических карт. Значение генетических карт в здравоохранении, селекции и в других областях человеческой деятельности.
5. Практическое значение хромосомной теории. Использование хромосомной теории наследственности в различных областях человеческой деятельности. Задачи и проблемы этногенетики. Задачи и проблемы методологии генетических (эволюционных) алгоритмов.

Изложенный план лекции (или урока-лекции) может варьироваться в зависимости от уровня образования и направления (профиля) обучения, а также от личностных предпочтений преподавателя и специфики контингента обучающихся. Но в любом случае эффективность такой лекции стремится к нулю по ряду причин:

• Огромный объем материала (включая множество имен и дат, которые в будущем не потребуются) не позволяет рассмотреть его даже конспективно. В итоге либо лекция читается в крайне высоком темпе (и большинство обучающихся не успевает понять, о чем идет речь), либо часть материала так и остается в виде конспекта лектора.
• Все материалы рассмотренной лекции общеизвестны, широко распространены в печатной форме (учебники, методические пособия) и в виде различных электронных (цифровых) ресурсов. В итоге лекция может превратиться в «плохой конспект хорошего учебника».
• Обратная связь между лектором и аудиторией практически отсутствует. Вопросы лектора «Это всем понятно?» или «Кому что непонятно?» носят формальный характер.
• Обучающиеся воспринимают информацию пассивно. В итоге быстро развивается утомление, доля усвоенной информации снижается до 10 % и менее, и сама лекция теряет смысл.

Разумеется, опытный лектор, используя многообразие педагоги­ческих приемов и средств обучения, может существенно повысить коэффициент усвоения информации. Но в этом случае классическая лекция превращается в информационную (лекцию-объяснение) и теряет смысл при наличии печатных и электронных учебников и учебных пособий для самостоятельной работы. Во время классической лекции, читаемой в быстром темпе, обучающимся некогда размышлять. О критическом восприятии слов лектора не может быть и речи. В итоге у обучающихся формируется линейное, инвариантное мышление. Дополнительная опасность линейного изложения учебного материала, на наш взгляд, заключается в том, что у обучающихся могут быть сформированы неверные представления о причинно-следственных связях между явлениями или событиями. Самая известная логическая ошибка при установлении причинно-следственных связей: «после этого – значит вследствие этого». Если излагать материал линейно, в хронологическом порядке, то выстраивается следующая цепочка:

1. 1902–1903 гг. – гипотеза о ведущей роли хромосом в хранении и передаче наследственной информации;
2. 1906 г. – открытие сцепленного наследования признаков;
3. 1913–1915 гг. – создание хромосомной теории наследственности.

В то же время логическая последовательность событий должна быть иной: открытие (научный факт) – проблема – гипотеза – верификация гипотезы – теория. Если излагать материал в указанной последовательности, то классическая лекция становится проблемной.

Вариантов построения проблемных лекций существует мно­жество [7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14]. К сожалению, большинство из них не прошло проверку практикой обучения биологии в образовательных организациях. И судить об эффективности того или иного варианта приходится априорно. Поэтому мы предлагаем свой вариант построения проблемных лекций, содержащий некоторые оригинальные (по крайне мере, с точки зрения методики обучения биологии) моменты.

Рассмотрим алгоритм построения лекционного занятия (фрагмент проблемной лекции или урока-лекции с обязательным использованием средств визуализации) на примере темы «Хромосомная теория наследственности».

Шаг 1. Первичный синтез (результат наблюдений и экспериментов).

Вводится исходная информация (научные факты, известные обучающимся): результаты наблюдений за наследованием признаков и результаты экспериментов Г. Менделя. Формулируется индуктивное обобщение: генетическая информация дискретна и передается в неизменном виде из поколения в поколение.

Шаг 2. Создается проблемная ситуация и формулируется проблема: в данном случае: выявление дискретных материальных носителей генетической информации в клетках.

Шаг 3. Вводится дополнительная информация (большей частью известная обучающимся):

a) структурные компоненты эукариотической клетки: клеточная мембрана, цитоплазма (гиалоплазма, цитоскелет, органоиды) и ядро;

б) связь между ядром, хроматином и хромосомами;

в) сходство между сегрегацией (расхождением) хромосом при делении клетки и расхождением гипотетических наследственных факторов Г. Менделя (гипотеза У. Сэттена).

Шаг 4. Выдвижение и верификация гипотез.

Выдвижение гипотез производится по принципу диалектической триады: тезис – антитезис – синтез (позитивная гипотеза как возможность). Например,

тезис: носитель генетической информации – клеточная мембрана –

антитезис: клеточная мембрана НЕ несёт генетическую инфор­мацию –

гипотеза: клеточная мембрана может нести генетическую информацию.

Подобным образом выдвигаются гипотезы о возможности цитоплазмы и ядра выполнять функции дискретных носителей генетической информации. Таким образом, решение проблемы требует верификации трех гипотез путем трех итераций.

Верификация каждой гипотезы заключается в том, что мы либо её принимаем, либо отклоняем. Например,

• клеточная мембрана НЕ дискретна и поэтому НЕ может нести генетическую информацию – ОТКЛОНИТЬ;
• некоторые органоиды частично дискретны и поэтому могут нести генетическую информацию – НЕТ РЕШЕНИЯ (сохраняется неопределенность);
• ядро разрушается при делении клетки, поэтому ядро может хранить генетическую информацию, но не может ее передавать; ядро содержит хромосомы в виде хроматина; хромосомы дискретны, не разрушаются при делении клетки и поэтому могут нести и передавать генетическую информацию – ПРИНЯТЬ.

Шаг 5. Решение проблемы: анализ (как правило, эксперимент).

Многочисленные опыты с дрозофилой в лаборатории Т.Х. Моргана.

Шаг 6. Результат: вторичный синтез (как правило, логический вывод).

Основные положения хромосомной теории наследственности.

Шаг 7. Контрольный вопрос: Проблема решена? Ответ: Нет!!! Нельзя игнорировать возможность цитоплазматического наследования – наследования признаков через некоторые органоиды цитоплазмы.

Предложенная нами методическая разработка может быть реко­мендована для использования в средней и высшей школе [3, 4, 5, 6].

В средней школе эволюционная биология изучается, как минимум, на двух уровнях: базовом и углубленном (профильном). Во всех случаях использование технологий ПОО может быть рекомендовано как элемент уроков по изучению нового материала (изучение и первичное закрепление новых знаний). Однако, в зависимости от уровня образования и профиля обучения, степень детализации анализа проблемной ситуации может быть различной. Например, при изучении биологии в 9-х классах проблемно-ориентированный метод обучения может быть использован в составе рассказа или беседы (в режиме монолога или с элементами диалога). При изучении биологии в старших классах с углубленным изучением биологии проблемно-ориентированный метод обучения может быть использован в соче­тании с различными интерактивными методами обучения (эвристическая беседа, метод мозговой атаки).

Использование предложенной нами методической разработки в высшей школе возможно при подготовке бакалавров и магистров по направлениям подготовки Педагогическое образование (профиль Биология и химия). Биология (профиль Общая биология). Для будущих учителей биологии овладение проблемно-ориентированными методами обучения рассматривается как элемент общеметодической подготовки. Для будущих биологов изложенный нами алгоритм использования проблемно-ориентированного подхода может быть использован как фрагмент проблемной лекции и как часть системы ПОО [3, 4, 5, 6].

Список литературы:

1. Федеральный закон N 273-ФЗ «Об образовании в Российской Федерации» (от 29.12.2012; ред. от 29.07.2017).
2. Федеральный государственный образовательный стандарт среднего (полного) общего образования (утвержден приказом Минобрнауки России от 17 мая 2012 г. № 413).
3. Афонин А.А., Булавинцева Л.И. Генетическая безопасность агробиоценозов // Биология в школе. – 2011. – № 5. – С. 3–10.
4. Булавинцева Л.И. Актуальные проблемы методической подготовки будущего учителя биологии к работе в современной школе // Актуальные проблемы естествознания и естественно-научного образования: Мат-лы V Междунар. науч.-практ. конф. – Омск: ОГПУ, 2017. – С. 177-181.
5. Булавинцева Л.И. Личностно-ориентированный курс «Биологическая безопасность агробиоценозов» / Л.И. Булавинцева, А.А. Афонин, Н.В. Голыго // Биология в школе. – 2015. – № 7. – С. 28–38.
6. Булавинцева Л.И., Афонин А.А. Проектирование личностно-ориентиро­ванного урока на тему «Основные этапы развития органического мира» // Биология в школе. – 2017. – № 2. – С. 15–29.
7. Меретукова З.К. Проблемное обучение как средство реализации единства дидактики и диалектики // Вестник Адыгейского гос. ун-та. Сер. 3: Педагогика и психология. – 2007. – № 3. – С. 13–20.
8. Браженец К.С. Проблемная лекция как форма организации содержания проблемного обучения // Среднее профессиональное образование. – 2012. – № 3. – С. 18–20.
9. Лернер И.Я. Проблемное обучение. – М.: Знание, 1974. – 64 с.
10. Матюшкин А.М. Проблемные ситуации в мышлении и обучении. – М.: Директмедиа Паблишинг, 2008. – 392 с.
11. Махмутов М.И. Проблемное обучение. Основные вопросы теории. – М.: Педагогика, 1975. – 315 с.
12. Муратбекова С.К., Джараспаева Ж.А. Проблемно-ориентированное обучение // Медицинская сестра. – 2013. – № 4. – С. 41–42.
13. Поздеева С.И. Проблемное и проблемно-ориентированное обучение (Problem-based learning): сравнительный анализ // Siberian pedagogical Journal. Cер. Comparative Pedagogics – 2016. – № 2 – С. 95–99.
14. Шухов В.С. Вопросы непрерывного медицинского образования (проблемно-ориентированное обучение) / В.С. Шухов, Н.Н. Володин, А.Г. Чучалин, Р. Гуэрра. – Лечащий врач. Медицинский научно-практический портал. – 2000. – № 3. – [Электрон. ресурс]. Код доступа: https://www.lvrach.ru/2000/03/4525883/ (Дата обращения 16.01.2018).