Система знаний о микроорганизмах в школьном курсе биологии как основа формирования предметной компетентности
на правах рукописи
ТИМОШЕНКО Игорь Валерьевич
СИСТЕМА ЗНАНИЙ О МИКРООРГАНИЗМАХ
В ШКОЛЬНОМ КУРСЕ БИОЛОГИИ
КАК ОСНОВА ФОРМИРОВАНИЯ ПРЕДМЕТНОЙ КОМПЕТЕНТНОСТИ
13.00.02 – теория и методика обучения и воспитания (биология)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата педагогических наук
Москва 2008
Работа выполнена в Ярославском государственном педагогическом университете имени К.Д. Ушинского на кафедре ботаники, теории и методики обучения биологии
Научный руководитель: доктор педагогических наук, профессор
Сухорукова Людмила Николаевна
Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор
Лихолат Тамара Васильевна
кандидат педагогических наук, доцент
Шевцов Глеб Геннадьевич
Ведущая организация: Педагогическая академия
последипломного образования
специалистов Московской области
Защита состоится 18 декабря 2008 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д. 008. 008. 05. по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата педагогических наук в Институте содержания и методов обучения РАО по адресу: 119903, г.Москва, ул. Погодинская, 8
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института содержания и методов обучения РАО по адресу: 119903, г.Москва, ул. Погодинская, 8
Автореферат разослан «____» __________ 2008 г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
к.п.н., с.н.с Т.А Козлова
Актуальность исследования.
Приоритетная задача современной школы - формирование личности, обладающей универсальной системой знаний, значимой за пределами школьного образования, и опытом самостоятельной деятельности. В школьном курсе биологии таким потенциалом обладают знания о микроорганизмах. Они являются жизнепригодными, так как затрагивают вопросы личной гигиены, обработки и сохранения пищевых продуктов, профилактики и лечения инфекционных заболеваний. Очевидно, что каждый человек должен не просто обладать этими знаниями, но и применять их в повседневной жизни. Кроме того, знания по микробиологии позволяют понять и оценить серьезные экологические и социально-этические проблемы, которые ставит перед современным обществом развитие биотехнологии.
Задача активизации личностного потенциала, формирования мобильной, адаптированной к современным условиям личности обусловливает необходимость поиска новых подходов к разработке системы знаний о микроорганизмах в школьном биологическом образовании. Системному построению содержания уделяется большое внимание исследователей в области педагогики, теории и методики обучения. Педагоги и методисты-физики (Л.Я. Зорина, И.К. Журавлев, Ю.И. Дик, В.Г. Разумовский) строят системное содержание на основе связи между основами научных теорий. Методисты-биологи и экологи (как правило, в качестве системообразующего фактора предметного содержания рассматривают эволюционную идею (Г.С. Калинова, Б.Д. Комиссаров) и иерархические связи между уровнями организации живой природы, соподчиненностью живых систем. (Н.Д. Андреева, Т.В. Иванова, И.Т. Суравегина, А.Г. Хрипкова). Главная цель создания такого системного содержания – системные знания. До настоящего времени никто из исследователей в области теории и методики обучения биологии не рассматривал систему научных знаний как основу формирования предметной компетентности.
Компетентностному подходу в образовании посвящены многочисленные исследования (А.Г. Бермус, И.А. Зимняя, В.В. Краевский, Н.В. Кузьмина, О.Е. Лебедев, А.К. Маркова, Б.И. Хасан). Однако его реализация в содержании предметов естественнонаучного цикла только начинается. В государственном образовательном стандарте (третий вариант) формирование компетенций предполагается только в целях, критерии оценивания компетентности вызывают затруднение (Т.В. Иванова).
В действующих учебниках и пособиях потенциал знаний о микроорганизмах, его практическая значимость раскрываются недостаточно. Учебная информация о микроорганизмах не является целостной, системной. Вследствие этого нарушается логика развития основных понятий: теоретические положения не всегда основываются на эмпирических данных и служат фундаментом для рассмотрения направлений биотехнологии. Учитель, как правило, решать эти проблемы самостоятельно затрудняется. Следствие этого – фрагментарные знания о бактериях и вирусах у старшеклассников. Анализ результатов ЕГЭ по биологии и данные констатирующего этапа педагогического эксперимента показывают, что ученики затрудняются выявлять особенности строения и процессов жизнедеятельности прокариот. Они не раскрывают их роль в круговоротах химических элементов, значение в формировании древнейшей биосферы и развитии основных направлений биотехнологии. Ученики затрудняются применять полученные знания в ситуациях, приближенных к повседневной жизни: устанавливать причины инфекционных заболеваний и руководствоваться способами их профилактики, не понимают важности вакцинации и соблюдения графика прививок, особенности лечения вирусных и бактериальных заболеваний; не проявляют личную позицию при обсуждении последствий развития генной инженерии, использования генетически модифицированных продуктов. Все это отрицательно сказывается на сохранении здоровья.
Таким образом, научно-педагогическое противоречие состоит в том, что существует необходимость формирования предметной компетентности учащихся при обучении биологии. Однако система научных знаний о микроорганизмах, ориентированная на формирование предметной компетентности, остается недостаточно разработанной. Поэтому проблема разработки системы научных знаний о микроорганизмах как основы формирования предметной компетентности в курсе биологии и методических условий ее использования представляется актуальной.
Проблема исследования состоит в разрешении противоречия между необходимостью формирования предметной компетентности учащихся и недостаточной разработанностью системы научных знаний о микроорганизмах, методических условий освоения учебного содержания.
Цель исследования: состоит в разработке системы научных знаний о микроорганизмах и методических условий ее ориентации на формирование предметной компетентности.
Объект исследования: процесс обучения биологии в школе.
Предмет исследования: система знаний о микроорганизмах в школьном курсе биологии как основа формирования предметной компетентности.
.Гипотеза исследования: формирование предметной компетентности на основе системы знаний о микроорганизмах будет обеспечено, если:
- определить методологические подходы к построению системы знаний о микроорганизмах и приобретению опыта ее применения;
- разработать систему научных знаний, основанную на исторической связи эмпирического, теоретического и прикладного знания;
- выявить методические условия формирования готовности применять системные знания и опыт в конкретных ситуациях.
Задачи исследования:
- провести анализ проблемы состояния знаний о микроорганизмах в практике обучения биологии;
- определить методологические подходы к построению системы знаний о микроорганизмах, ориентированной на формирование предметной компетентности;
- разработать научную систему знаний о микроорганизмах для курсов биологии основной и полной школы;
обосновать методические условия формирования предметной компетентности на основе системы знаний;
- экспериментально проверить разработанную методику и оценить ее эффективность.
Методологической основой исследования являются:
- философские концепции о закономерностях развития научного познания (А.И.Алешин, Н.К.Вахтомин, В.С. Степин, В.С. Швырев); положения системного (В.Г. Афанасьев, Л. Берталанфи, И.Б.Блауберг, В.Н. Садовский, М.Г Сетров, Э.Г.Юдин) и ценностного (М.С. Каган, И.Т.Фролов) подходов, позволяющие выяснить общие принципы и закономерности научного познания;
- положения об истории развития микробиологии (В.Н. Гутина), особенностях строения и метаболизма прокариот и вирусов (С.Н. Виноградский, М.В. Гусев, Л.А. Минеева, Г. Шлегель), экологии прокариот, их роли в происхождении и эволюции жизни на Земле (В.И.Вернадский, Г.А. Заварзин, Б.В.Громов, М.Ю.Грабович) биотехнологии и ее основных направлениях (Ю.Н Елдышев, А.М. Куликов, И.Б.Лещинская, Ф.Уэбб, С.Э.Шноль), позволившие отобрать и выстроить учебную информацию о микроорганизмах.
- педагогические и методические теории и положения о целях и содержании школьного образования (Ю.И. Дик, В.В. Краевский, В.С. Леднев, И.Я. Лернер, В.Г. Разумовский, М.В. Рыжаков); системности знаний (Л.Я. Зорина, Б.Е.Всесвятский, Т.В.Иванова, Г.С.Калинова, Б.Д.Комиссаров, Л.Н.Сухорукова); компетентностном подходе в обучении (А.Г. Бермус, И.А. Зимняя, Т.В.Иванова, О.Е. Лебедев, А.В.Хуторской), формах, методах и приемах обучения биологии (Е.П.Бруновт, Е.Т.Бровкина, Н.М.Верзилин, В.М. Корсунская); практической направленности обучения биологии (И.Д.Зверев, А.Н.Мягкова, В.В.Пасечник, Д.И.Трайтак), организации педагогического эксперимента и оценке его результатов (М.И. Грабарь, К.А.Краснянская, А.М..Новиков, В.З. Резникова).
Методы исследования:
- теоретические – анализ работ в области философии, микробиологии и ее истории, психологии, педагогики, теории и методике обучения биологии; изучение нормативных и программных документов об образовании; проектирование авторской концепции, методических пособий.
- эмпирические – беседы и интервью с учителями и учениками, анализ личностной образовательной продукции учащихся; анкетирование педагогов по проблеме содержания и структуры учебной информации о микроорганизмах; изучение опыта работы учителей по реализации практической направленности содержания школьных курсов биологии; педагогический эксперимент, включающий констатирующий и обучающий этапы.
- математические – использование методов статистики для подтверждения достоверности результатов педагогического эксперимента.
Этапы исследования
На первом, поисково-эмпирическом этапе (2001 – 2003) на основе анализа научной и педагогической литературы, действующих учебных программ и учебников, результатов констатирующего этапа эксперимента выявлялось состояние знаний о микроорганизмах, обосновывались положения, определяющие систему знаний о микроорганизмах и ее место в содержании школьного курса биологии.
На втором, теоретическом этапе (2004-2005) разрабатывалась система знаний о микроорганизмах, ориентированная на формирование предметной компетентности; подготавливались методические пособия для учителей и учащихся. Концептуальные положения отрабатывались на ежегодных методических конференциях молодых ученых, педагогических чтениях им. К.Д.Ушинского в ЯГПУ.
На третьем, экспериментальном этапе (2006-2007) проводился обучающий этап педагогического эксперимента на базе школ г. Ярославля (№ 33, 35,43, 47, 64, 78, 82) и г. Рыбинска (№8, №17, №25). Результаты исследования анализировались, обобщались и были внедрены посредством методических и учебных пособий в преподавание биологии на региональном и федеральном уровнях.
Научная новизна исследования:
- разработана система знаний о микроорганизмах (прокариотах и вирусах), включающая эмпирический, теоретический и прикладной компоненты, основанная на исторической связи между реальными объектами, теоретическими положениями и практическим освоением природы - движении от изучения строения и процессов жизнедеятельности прокариот к объяснению их роли в экосистемах, круговоротах химических элементов, происхождении и эволюции жизни на Земле и применению в биотехнологии;
- определены методические условия формирования предметной компетентности на основе системы знаний о микроорганизмах: выражение целей через требования, ориентирующие на последовательное формирование готовности применять знания; усиление практической и личностно-значимой направленности содержания; использование форм и методов обучения, адекватных компонентам содержания и способствующих формированию опыта проявления личной позиции ученика.
Теоретическая значимость исследования:
- определены методологические подходы к построению системы научных знаний о микроорганизмах, компоненты которой объединены на основе принципа исторической связи эмпирии, теории и практики;
- обоснованы методические условия, способствующие применению системы знаний для формирования предметной компетентности, охватывающие цели, содержание, формы и методы обучения, оценку полученных результатов.
Практическая значимость исследования: разработаны и внедрены в школьную практику учебные и методические пособия, в которых отражена система знаний о микроорганизмах и методические условия ее применения для формирования предметной компетентности: «Школьный практикум по микробиологии» (региональный уровень), «Развитие знаний о микроорганизмах в курсе общей биологии» (региональный уровень), тетрадь-практикум «Биология -7: разнообразие живых организмов» (федеральный уровень).
На защиту выносятся:
- методологические подходы к построению системы знаний о микроорганизмах, включающие положения о связи эмпирического, теоретического и прикладного знания в процессе развития микробиологии как науки, важности системы знаний для формирования предметной компетентности как готовности мобилизовать в конкретной ситуации свои знания и опыт;
- научная система знаний, включающая эмпирический (строение и процессы жизнедеятельности прокариот и вирусов), теоретический (роль микроорганизмов в экосистемах, круговоротах химических элементов, происхождении и эволюции жизни на Земле), прикладной (использование прокариот в биотехнологии) компоненты, объединенные системообразующим фактором – исторической связью эмпирии, теории и практики, а также ценностными идеями о значении знаний о микроорганизмах для здоровья человека и жизни биосферы;
- методические условия формирования предметной компетентности на основе системы знаний: выражение целей через планируемые результаты и их поэтапное достижение; усиление практической и личностно-значимой направленности содержания учебной информации о микроорганизмах; применение методов, адекватных эмпирическому, теоретическому и прикладному компонентам содержания и ориентированных на мобилизацию знаний и проявление личностной позиции в конкретных ситуациях.
Достоверность результатов исследования достигалась использованием методов исследования, адекватных поставленным целям, предмету и задачам исследования; проведением педагогического эксперимента, в ходе которого использовались общепринятые методы педагогических исследований; репрезентативностью выборки; качественным и количественным анализом полученных данных с использованием методов статистики.
Апробация и внедрение результатов исследования. Результаты исследования обсуждались и получили одобрение на областных (г. Ярославль, 2005, 2006, 2007 г.г.) и международных конференциях («Биологическое и географическое образование в современной школе», г. Ярославль, 2006, 2007 г.г.), заседаниях кафедры ботаники, теории и методики обучения биологии ЯГПУ им. К.Д. Ушинского (г. Ярославль, 2004-2008 г.г.); лаборатории обучения биологии ИСИМО РАО (г. Москва, 2008 г.).
Структура диссертации соответствует логике научного исследования и состоит из введения, трех глав, заключения, библиографии. Содержание диссертации изложено на 143 страницах. В том числе 4 диаграммы, 2 таблицы, 7 схем, библиографический список (включает 167 наименований).
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
Во введении определено проблемное поле исследования, обоснованы выбор темы исследования, ее актуальность, раскрываются гипотеза, цель, задачи и методы исследования, положения, выносимые на защиту.
В первой главе «Теоретические и практические основы формирования системы знаний о микроорганизмах в школьном курсе биологии» определены методологические подходы к построению системы знаний о микроорганизмах, ориентированной на формирование предметной компетентности, проведен анализ состояния знаний о микроорганизмах в теории и практике обучения биологии.
Проведенный анализ философских работ позволил выявить историческую связь эмпирического, теоретического и прикладного знания. В работе прослежено, что эмпирическое знание возникает и развивается посредством опыта. Однако оно не ограничивается накоплением фактов, а включает в себя обработку эмпирических данных, их систематизацию (Н.К. Вахтомин, Б.М. Кедров). В этом контексте эмпирическое знание выступает связывающим звеном между реальными объектами и теоретическим знанием (В.С. Швырев). Цель теоретического знания - более глубокое познание объектов реального мира. В исследовании учитывалось, что в биологической науке развитие теоретического знания тесно связано с принципом системности (Г.Афанасьев, И.В. Блауберг, В.Н.Садовский, М.И.Сетров, К.М.Хайлов, Э.Г.Юдин и др.). Он возник как целостный подход к объектам исследования, что выразилось, прежде всего, в понятии целого, а затем развито и конкретизировано в понятие системы. Насчитывается более десятка определений системы. Мы исходили из определения, что система представляет собой целостность, в которой элементы настолько тесно связаны друг с другом, что выступают по отношению к другим системам как нечто единое (М.И.Сетров). Элементами системы (единицами, способными к относительно самостоятельному осуществлению определенной функции) могут быть части, свойства. Значительная смысловая нагрузка в системных исследованиях приходится на понятие «связь». Большинство авторов дают его определение через эмпирическую классификацию связей, выделяя следующие их виды: системные, генетические, функциональные и др.
Исследование опиралось на мнение сторонников «научного реализма» (И. Лакатос, Д. Уоткинс и др), согласно которому процесс утверждения теоретических положений невозможен без опоры на практическое применение. Это согласуется с точкой зрения Н.К. Вахтомина, что теоретическое знание служит основой для «… прогнозирования будущих способов практического освоения природы». В работе отмечается, что при оценке практического применения результатов научного познания возникают социальные проблемы, которые должны решаться с этических позиций (М.С. Каган, И.Т. Фролов).
Философские основания исследования позволили провести анализ развития научных знаний о микроорганизмах с позиций связи эмпирического, теоретического и прикладного знания. Установлено, что микроорганизмы – это вирусы, прокариоты и эукариоты (одноклеточные водоросли, микромицеты, простейшие). При этом основными объектами микробиологии являются прокариоты и вирусы. Поэтому в исследовании особое внимание уделялось развитию знаний именно об этих микроорганизмах. Информация о строении, процессах жизнедеятельности прокариот связана с важнейшими достижениями биологии и биотехнологии, которые важно отразить в содержании школьного биологического образования. Анализ работ в области истории микробиологии (В.Н.Гутина, М.В.Гусева, Л.А.Минеева, Г. Шлегель) показал, что изучение прокариот началось с эмпирического этапа - накопления фактов о строении, процессах жизнедеятельности и многообразии бактерий. Роль микроорганизмов в процессе брожения раскрыта О. Варбургом, А. Гарденом, Л. Пастером; процессы хемосинтеза, азотфиксации описаны С.Н. Виноградским, М. Бейеринком, а особенности метаболизма прокариот - К. Ван-Нилем, С.Н. Виноградским). В первой половине ХХ века были изучены нуклеоид и органоиды бактериальной клетки (Р. Гертвиг, К. Добелл).
В исследовании отмечается, что по мере накопления эмпирических фактов в микробиологии оформились направления теоретических исследований – изучение генома прокариот, их роли в круговоротах веществ, происхождении и эволюции жизни на Земле ( В.И.Вернадский, Г.А.Заварзин, Б.В.Громов, М.Ю.Грабович). В ХХ веке эмпирические и теоретические знания о микроорганизмах нашли применение в различных областях биотехнологии – красной, белой, зеленой (Ю.Н.Елдышев, Ю.Г.Чирков, С.Э.Шноль). Проведенный анализ работ по микробиологии и истории ее развития позволил отобрать учебную информацию о микроорганизмах, выделить ее основные компоненты для курсов биологии основной и полной школы, связать их системообразующими идеями.
В I главе рассмотрены педагогические основания исследования. Установлено, что проблема связи эмпирического, теоретического и прикладного знания нашла отражение в политехническом принципе обучения биологии (Е.П. Бровкина, И.Д. Зверев, А.Н. Мягкова).
В настоящее время единство эмпирического, теоретического и прикладного знания находит отражение в компетентностном подходе. Анализ работ в этой области показал, что в отношении основных определений - компетенции и компетентности нет единой точки зрения. В нашем исследовании компетенции рассматривались как ожидаемые результаты обучения, «то, на что претендуют» (Б.И.Хасан), а компетентность – как «актуальное проявление компетенций» (И.А.Зимняя); владение, обладание учеником соответствующей компетенцией, включающей его личностное отношение к ней и предмету деятельности (А.Г.Бермус, В.В.Краевский). Согласно Г.В.Пичугиной, компетентность – готовность мобилизовать в определенной ситуации полученные знания и опыт. Исследование опиралось на положение, что компетентностный подход должен быть целостным, охватывать не только содержание, но и цели, процесс обучения и образовательные результаты. При этом цели важно выразить через планируемые результаты (М.В. Рыжаков). Методы и формы обучения должны быть направлены на накопление личного опыта применения знаний в конкретных ситуациях (О.Е. Лебедев). Выяснено, что общепринято выделять ключевые, надпредметные и предметные компетенции. Ключевые компетенции – наиболее универсальные по своему характеру и степени применимости, надпредметные – общие для цикла учебных предметов (например, экологические, здоровьесберегающие). Предметные компетенции связаны с готовностью учащихся привлекать для решения проблем знания, умения, навыки, формируемые в рамках конкретного предмета (Т.В. Иванова). При этом основу предметной компетентности составляют именно системные знания как наиболее информационно-емкие, рационально организованные и потому востребованные в различных ситуациях (Т.В. Иванова).
Установлено, что системность знаний – это такое их качество, которое характеризуется наличием в сознании ученика структурных связей (Л.Я. Зорина). При создании системы знаний важно выявить компоненты содержания и связать их системообразующими идеями (П.И. Пидкасистый). В качестве доминирующего системообразующего фактора в содержании школьного биологического образования большинством авторов рассматривается либо иерархия живых систем (Т.В. Иванова, Н.И. Мищук, И.Т. Суравегина, И.Н. Пономарева), либо идея эволюции. (Г.С. Калинова, А.Н.Мягкова). Методисты опираются на исследование Б.В. Всесвятского, одним из первых применившего системный подход к построению школьных курсов биологии. Применительно к теоретическому содержанию курса общей биологии системность знаний обеспечивается выделением теории в качестве дидактической единицы построения содержания (Б.Д. Комиссаров, Л.Н. Сухорукова), что согласуется с работами Л.Я. Зориной. Исследований, раскрывающих роль системы знаний как основы предметной компетентности, в теории и методике обучения биологии не проводилось. Развитию знаний о микроорганизмах было посвящено исследование Е.А. Плотниковой на материале курсов биологии основной школы.
В главе проведен анализ действующих учебников по биологии. Установлено, что сведения о микроорганизмах, их разнообразии, причинах пищевых отравлений, заболеваниях микробной природы в курсах биологии основной школы фрагментарны, не объединены системообразующими идеями. Учебная информация о значении личной гигиены, обработки и хранении продуктов питания в конкретных ситуациях применяется не достаточно, что отрицательно сказывается на формировании предметной компетентности в области гигиены и медицины.
В курсе общей биологии данные микробиологии не вплетаются в теоретические положения генетики, экологии, эволюционного учения и не служат основой для раскрытия направлений биотехнологии. Учебный материал абстрагируется от «живого пути к истине», не включает рассуждения о социально-этических проблемах развития прикладного знания, недостаточно отражает роль микробиологии в жизни общества.
Недостатки содержания учебной информации о микроорганизмах сказываются на работе учителя, о чем свидетельствуют результаты анкетирования. Учителя заинтересованы в усилении практической направленности учебной информации о микроорганизмах, ее системности и личностной значимости для учащихся. Однако решить проблему самостоятельно затрудняются, что отражается на качестве знаний школьников: они не носят системный характер, усваиваются на уровне требований «называть» и «определять», не применяются в ситуациях, приближенных к повседневной жизни.
Таким образом, анализ теории и практики обучения биологии позволил нам определить основные подходы к построению системы знаний о микроорганизмах и выяснить методические условия ее применения с целью формирования предметной компетентности.
Вторая глава «Система научных знаний о микроорганизмах и методические условия ее применения в процессе обучения биологии посвящена разработке и обоснованию научной системы знаний о микроорганизмах, методическим условиям ее применения с целью формирования предметной компетентности.
Исследование исходило из положения, что подходы к построению системы знаний о микроорганизмах в основной и полной школе должны быть разными. В курсах биологии 6-7 классов преобладает описательный (эмпирический) материал. Поэтому в качестве компонентов системы знаний о микроорганизмах рассматривается учебная информация об одноклеточных водорослях, простейших, микромицетах, бактериях. Компоненты объединены в систему экологической идеей о функциях микроорганизмов в биосфере как производителей, потребителей и разрушителей органического вещества. Дополнительным системообразующим фактором является раскрытие роли микроорганизмов в практической деятельности человека.
В курсе биологии 8 класса главное внимание важно сосредоточить на прокариотических организмах и вирусах, являющихся возбудителями опасных заболеваний человека. Эта информация затрагивает вопросы личной гигиены, обработки и сохранения пищевых продуктов, профилактики и лечения инфекционных заболеваний и пищевых отравлений, и поэтому личностно значима для ученика. Кроме знаний по микробиологии важной основой индивидуальной и общественной профилактики инфекционных заболеваний являются знания по эпидемиологии и иммунологии. На примере наиболее распространенных инфекций (грипп, дизентерия, гепатит, СПИД) важно дать представления об эпидемическом процессе (его источнике, механизмах передачи возбудителей, биологических и социальных факторах, оказывающих влияние на распространение эпидемии). Эти сведения необходимы каждому человеку, так как от знаний и правильных действий одного человека может зависеть здоровье многих людей. Учащимся важно знать, что здоровый человек, находясь среди больных людей, подвержен риску заболевания, поэтому очень важна профилактическая вакцинация. Следует сказать о значении вакцин - препаратов, приготовленных из убитых или ослабленных болезнетворных организмов (или из обезвреженных токсинов), для формирования приобретенного иммунитета, и выяснить их отличие от сывороток и гамма-глобулинов. Таким образом, в курсе биологии-8 учебная информация о болезнетворных бактериях и вирусах представлена тремя компонентами – сведениями по микробиологии, эпидемиологии, иммунологии, объединенными идеей важности профилактики инфекционных заболеваний для сохранения здоровья.
Учебная информация о микроорганизмах в содержании курсов биологии 6-8 в основном представлена. Поэтому мы ограничились ее анализом с целью систематизации и установления преемственности с курсом общей биологии.
В содержании курса общей биологии сосредоточены основные теоретические обобщения. Они опираются на эмпирический материал о строении клеток про- и эукариот, процессах их жизнедеятельности и служат основой для понимания механизмов биотехнологии. Поэтому основными компонентами системы знаний о микроорганизмах стали – эмпирический (строение и процессы жизнедеятельности прокариот), теоретический (роль микроорганизмов в экосистемах, круговоротах химических элементов, происхождении и развитии жизни на Земле) и прикладной (использование микроорганизмов в биотехнологии) (схема 1).
Схема 1. Система научных знаний о микроорганизмах
В качестве доминирующего системообразующего фактора рассматривался принцип исторической связи эмпирического, теоретического и прикладного знания, поскольку он отражает методологические закономерности развития микробиологии как науки.
Чтобы система научных знаний могла «работать», стать основой предметной компетентности, важно определить методические условия ее функционирования. Методические условия – это факторы, способствующие успешности учебной деятельности. Многие исследователи, определяя методические условия, имеют в виду только формы и методы обучения. В нашем исследовании формирование предметной компетентности опирается на содержание. Поэтому к выбору методических условий мы подходили целостно, ориентируя цели, компоненты содержания, формы, методы и методические приемы, оценку полученных результатов на формирование предметной компетентности.
Чтобы система могла стать основой предметной компетентности, важно выразить цели обучения через планируемые результаты – требования к уровню подготовки ученика (схема 2). Результаты обучения есть не что иное, как определенный сдвиг в развитии ученика, который находит отражение в процессе его деятельности. Поэтому требования выражены в предметно-деятельностной форме, в соответствии с таксономией, предложенной М.В. Рыжаковым. Поскольку важным компонентом знаний о микроорганизмах, помимо эмпирического и теоретического, является прикладной, таксономия М.В. Рыжакова дополнена в нашем исследовании требованиями «применять» знания в биотехнологии и «оценивать» перспективы ее развития. Реализация таксономии в таком виде позволяет не только добиться усвоения знаний и умений, но и формировать ценностные ориентиры, личностно значимый опыт деятельности по отношению к изучаемому предмету, что согласуется с компетентностным подходом в образовании.
Реализация планируемых результатов предполагает формирования мотивационной сферы обучаемых. С этой целью мы отбирали такую учебную информацию, которая отвечает потребности учеников старшего школьного возраста (содержит интересные сведения о микроорганизмах и вызывает эмоциональное отношение, носит дискуссионный характер, ориентирует на применение знаний в практической деятельности и повседневной жизни).
При выборе форм и методов обучения мы исходили из единства содержания и процесса обучения. Учитывалось, что эмпирическое знание возникает и развивается посредством опыта. Поэтому при его изучении с целью придания знаниям практической направленности важно применять на уроках практические методы - наблюдение и эксперимент. В связи с этим нами был разработан школьный практикум по микробиологии.
Схема 2. Система знаний о микроорганизмах как основа формирования
предметной компетентности
Теоретическое знание, в отличие от эмпирического, возникает и развивается в результате мышления. Поэтому в нашем исследовании основным методическим условием усвоения теоретических положений было создание ситуаций их применения на основе использования специально разработанных заданий.
При этом ученик должен был выразить свое отношение к событиям, предложить свой вариант решения. Например, при изучении положений экологии предлагалось выполнить следующее задание: «В кишечнике человека постоянно обитают сотни видов полезных микроорганизмов. У взрослого человека их общий вес может достигать килограмма. К каким последствиям для микрофлоры и здоровья человека может привести использование антибиотиков? Какие способы восстановления здоровой микрофлоры вы можете предложить»? Такие задания направлены на приобретение личного опыта применения знаний в повседневной жизни, что является важной основой формирования компетентности.
При изучении вопросов биотехнологии с целью формирования готовности применять полученные знания и опыт так же использовался эксперимент и создавались конкретные ситуации. Например, вызывало интерес следующее задание: «Всем известны мифические создания – кентавры, совмещающие в себе черты животного и человека. В наше время, благодаря достижениям генетики, на свет появились «гентавры» – трансгенные организмы. Объясните, в чем состоит их сходство с мифическими созданиями? Выразите свое отношение к использованию трансгенных организмов». Учитывалось, что развитие биотехнологии – противоречивый процесс, затрагивающий общекультурные ценности и вызывающий научные споры, столкновение общественных интересов. Поэтому при обсуждении социально-этических проблем развития биотехнологии использовался метод, основанный на диалоге - дискуссия. Диалог предполагает направленность активности ученика на учебный материал, решение научных проблем, и вместе с тем позволяет предъявить собственное мнение и позицию в отношении предмета обсуждения, развивает социальную мотивацию, эмоционально-ценностную сферу личности, что очень важно для формирования предметной компетентности.
При оценивании компетентности мы ориентировались, прежде всего, на развитие познавательной деятельности, сформированность основных учебных умений, связанных с применением знаний, а также на готовность учащихся выражать собственное мнение, проявлять личную позицию в отношении предмета обсуждения.
Важнейшими предметными компетентностями, которыми необходимо овладеть при изучении системы знаний о микроорганизмах – это компетентности в области гигиены и медицины, экологии, генетики, биотехнологии. В свою очередь, данные предметные компетентности вносят вклад в формирование таких важных надпредметных компетентностей как здоровьесберегающая и природоохранная и ключевой – учебно-познавательной компетентности (таблица 1).
Таблица 1. Предметные компетентности, основанные на знаниях о микроорганизмах
| Область предметной компетентности |
| Гигиена и медицина: -знать основные пути заражения болезнетворными бактериями и при-менять способы профилактики пищевых отравлений и инфекционных заболеваний (кипячение, обработка ран, личная гигиена); -уметь вести себя в период распространения эпидемий (гриппа, гепатита и др.); участвовать в вакцинации и соблюдать график прививок; грамотно применять антибиотики и интерфероны, предвидеть последствия неправильного лечения антибиотиками (дисбактериоз); -проявлять готовность основываться на правилах здорового питания для сохранения микрофлоры пищеварительного тракта. |
| Генетика, экология, эволюция: -уметь применять знания о геноме прокариот и вирусов для объяснения особенностей лечения интерферонами и антибиотиками, быстрой адаптации бактерий к действию лекарственных препаратов; -проявлять готовность мобилизовать знания и опыт о причинах цветения воды в водоемах и последствиях ее использования для здоровья человека, значении симбиотических азотфиксаторов для обогащения почвы азотом. -применять знания и опыт о процессе аммонификации (гниении)с целью использования способов переработки и хранения пищевых продуктов -уметь объяснять причины возникновения пандемий и эпидемий, предвидеть последствия действия вирусов как биологических мутагенов с позиций знаний о факторах эволюции (мутационном процессе, волнах численности). -оценивать роль микроорганизмов в длительной истории формирования биосферы, создании невосполнимых природных ресурсов (нефти, газа, залежей полезных ископаемых). |
| селекция и биотехнология: - Проявлять готовность мобилизовать знания о геноме прокариот для понимания этапов генной инженерии, о методах генной инженерии для объяснения механизмов создания трансгенных организмов. Проявлять личную позицию при обсуждении достижений и социально-этических последствий развития генной инженерии, последствий использования трансгенных организмов и генетически модифицированных продуктов, значения микробиотехнологии в переработке отходов, получении биотоплива; оценивать достижения селекции в создании штаммов микроорганизмов - суперпродуцентов антибиотиков, гормонов, белков, аминокислот. |
В третьей главе «Обучающий педагогический эксперимент, его этапы и результаты» изложен ход обучающего этапа педагогического эксперимента, проведен анализ его результатов в сравнении с результатами констатирующего этапа. Педагогический эксперимент рассматривается как комплекс методов, позволяющих обеспечить проверку правильности гипотезы, выдвинутой в начале исследования.
На констатирующем этапе экспериментальной работы было охвачено 540 учащихся из 11 школ г. Ярославля (№ 2, 43, 47, 52, 70, 74, 79, 82) и г. Рыбинска (№ 8, 17, 25) Ярославской области. Анализ ответов учащихся позволил выделить 5 уровней усвоения знаний о микроорганизмах: 0 уровень – ученики не отвечают или дают неправильные ответы; 1 уровень – выполняют требования «называть» и «определять»; 2 уровень – справляются с требованием «описывать»; 3 уровень – отвечают требованиям «объяснять» и «прогнозировать»; 4 уровень – справляются с требованиями «применять» знания в биотехнологии и «оценивать» перспективы ее развития.
Контрольные результаты констатирующего эксперимента представлены на диаграмме 1. Они согласуются с данными отчетов по результатам ЕГЭ в Московской области (2005-2007), Ярославской области (2007) и России в целом, согласно которым 45% учеников не справляются с заданиями, требующими описания строения бактериальной клетки, процессов хемосинтеза и брожения.
Цель обучающего этапа педагогического эксперимента - проверка эффективности применения системы знаний о микроорганизмах и методических условий формирования предметной компетентности на ее основе. Обучение проводилось на уроках общей биологии в 10-11 классах 11 школ г. Ярославля (№ 2, 43, 47, 52, 70, 74, 79, 82) и г. Рыбинска (№ 8, 17, 25) Ярославской области, в эксперименте участвовало 504 ученика.
Обучающий педагогический эксперимент включал три этапа: описательный – изучение строения, процессов жизнедеятельности прокариот, их разнообразия; объяснительный - установление связи между геномом прокариот и вирусов и их свойствами, раскрытие роли прокариот в экосистемах, круговоротах химических элементов, происхождении и эволюции жизни на Земле; практический – применение знаний о прокариотах при изучении биотехнологии.
На описательном этапе обучающего эксперимента к ученикам предъявлялись требования: «называть», «определять», «описывать».
Из методов обучения главное внимание уделялось наблюдению и эксперименту, личностной образовательной продукции учащихся - сообщениям и рефератам. Анализ ответов показал, что использованные методические условия позволили достигнуть более высоких результатов по сравнению с данными констатирующего этапа: 40% учащихся усвоили эмпирические понятия на уровне «называть» и «определять», 56% учеников справились с наивысшим требованием данного этапа - «описывать». Внимание к мотивации учебной деятельности привело к тому, что существенно сократилось число учеников, не справившихся с заданиями или не пытавшихся на них отвечать (с 42% до 4%).
На объяснительном этапе изучался теоретический компонент содержания. Поэтому кроме требований «называть», «определять» и «описывать» к ученикам предъявлялись требования «объяснять и «прогнозировать». Чтобы теоретические положения усваивались и ученики приобретали опыт их применения, им предлагались задания, предполагающие нахождение выхода из конкретной ситуации. Анализ результатов учебных достижений после второго этапа говорит о сдвиге в развитии познавательной деятельности учеников: треть учеников справились с требованиями «объяснять», «прогнозировать». Однако 63 % школьников ограничились выполнением требований «называть», «определять», «описывать» и затруднялись применять теоретические положения к объяснению и прогнозированию явлений. Это объясняется недостаточным вниманием к формированию опыта применения знаний до изучения микроорганизмов.
На завершающем этапе обучающего эксперимента формировалась готовность применять знания о прокариотах и вирусах в биотехнологии и ситуациях, приближенных к повседневной жизни. Учебная информация была дополнена сведениями о направлениях и достижениях биотехнологии, ее социально-этических проблемах. Из форм и методов обучения на этом этапе проводились: эксперимент по ингибированию молочно-кислого брожения, лабораторная работа по изучению генетически модифицированных продуктов и биодобавок, дискуссии - «Достижения и социально-этические проблемы генной инженерии», «Генетически модифицированные продукты: за и против».
Сравнение полученных результатов учебных достижений второго и третьего этапов обучающего эксперимента показало, что возросло число учеников, ответы которых соответствовали уровню «объяснять» и «прогнозировать», что говорит об эффективности методических условий заключительного этапа. Однако только пятая часть учеников (18%) добились максимальных учебных достижений. Анализ проведенных дискуссий показал, что они предъявляли личную позицию в отношении предмета обсуждения, использовали полученные знания для решения научных и социально-этических проблем.
На завершающем этапе работы с целью сравнения экспериментальных и контрольных данных вновь проводился письменный срез знаний, охватывающий все содержание учебной информации о микроорганизмах. Задания, проверяющие эффективность усвоения знаний, умений, готовность их применять к концу обучающего эксперимента, совпадали с вопросами констатирующего эксперимента.
Для подтверждения статистической гипотезы об эффективности педагогического эксперимента оценивалась репрезентативность выборочных данных. Это позволило экстраполировать полученные в ходе эксперимента результаты на всю генеральную совокупность.
Общее число учащихся, принявших участие в педагогическом эксперименте, составило 1044 человека, что обеспечивает статистическую достоверность полученных результатов. Основным статистическим методом было применение критерия 2. В качестве нулевой гипотезы было выбрано утверждение: «Обучение учащихся на основе научной системы знаний о микроорганизмах позволяет получить такие же результаты, что и при традиционном обучении». В качестве альтернативной гипотезы было выбрано утверждение: «Обучение учащихся на основе научной системы знаний о микроорганизмах приводит к более высокому результату обучения учащихся и формированию предметной компетентности».
Ниже приведены результаты распределения учащихся по уровням овладения учебного материала.
| Этапы педагогического эксперимента | Уровни усвоения знаний о микроорганизмах | ||||
| 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | |
| Число учащихся | |||||
| Констатирующий этап | 189 | 324 | 27 | 16 | 5 |
| Обучающий этап | 71 | 262 | 171 | 166 | 91 |
Для подтверждения эффективности эксперимента, полученные результаты распределения были использованы для расчета критерия 2:
n1 и n2 – соответственно число учащихся на констатирующем и обучающем этапе эксперимента; i – уровень усвоения знаний о микроорганизмах; О1 и О2 – соответственно число учащихся констатирующего и обучающего этапа педагогического эксперимента, находящихся на i-м уровне. Число степеней свободы подсчитывалось с помощью формулы: = (k - 1)(с - 1), где k - число столбцов, с - число строк в таблице с анализируемым материалом. Для нашего эксперимента число степеней свободы равно 4. Полученное значение Тнабл = 374,53. При уровне значимости = 0,05 критическое значение статистики для числа степеней свободы = 4 оказывается равным Ткрит = 9,49. Так как Тнабл > Ткрит (375,53 > 9,49), то нулевая гипотеза отвергается и принимается за истинную альтернативная гипотеза. Таким образом, значение 2 показало неслучайность и достоверность различия между результатами констатирующего и обучающегого эксперимента.
В заключении сформулированы результаты и выводы диссертационного исследования, состоящие в следующем:
- Проведен анализ практики обучения биологии. Он показал, что информация о микроорганизмах излагается в учебниках фрагментарно и недостаточно ориентирована на использование за пределами системы школьного образования. Учителя заинтересованы в совершенствовании учебной информации, ее системности и практической направленности. Однако решить проблему самостоятельно затрудняются. Это отражается на качестве знаний учеников о микроорганизмах. Знания усваиваются на уровне требований «называть», «определять» и не применяются в ситуациях, приближенных к повседневной жизни.
- Определены методологические подходы к проблеме исследования: положения философии о связи эмпирического, теоретического и прикладного знания принципе системности, основанном на рассмотрении объектов как систем, их компонентов и системообразующих связей; научные данные о прокариотах и вирусах как основных объектах микробиологии, исторические сведения о развитии микробиологии на основе движения от описания к объяснению и применению знаний в биотехнологии; педагогические положения о компонентах содержания и системообразующих факторах, важности системы знаний для формирования предметной компетентности; необходимости целостного подхода при определении методических условий формирования предметной компетентности.
- Разработана научная система знаний о микроорганизмах для курсов биологии основной и полной школы с целью преемственности знаний. В курсе общей биологии компоненты системы - сведения о строении и процессах жизнедеятельности прокариот и вирусов; положения о геноме прокариот, их роли в экосистемах, круговоротах элементов, происхождении жизни; значении в биотехнологии объединены принципом исторической связи эмпирического, теоретического и прикладного знания.
- Обоснованы методические условия, способствующие формированию предметной компетентности на основе системы знаний. Они охватывают цели, выраженные через планируемые результаты; содержание, направленное на усиление познавательной мотивации и значимое за пределами системы образования; формы и методы обучения, соответствующие компонентам содержания (практикум при изучении эмпирических и прикладных понятий микробиологии; создание конкретных ситуаций, требующих применения теоретических и прикладных знаний, обсуждение социально-этических проблем развития биотехнологии в ходе дискуссий).
- Экспериментально проверена разработанная система знаний и методические условия ее применения с целью формирования предметной компетентности. Доказано, что небольшое по объему содержание о прокариотах и вирусах, выстроенное системно, вносит свой вклад в формирование предметной компетентности в области гигиены, медицины, экологии, генетики, биотехнологии. Об эффективности выбранных методических условий говорит тот факт, что 18% учеников добились максимальных учебных достижений – проявили готовность применять знания и накопленный опыт в конкретных ситуациях, приближенных к условиям повседневной жизни. Сравнение экспериментальных и контрольных результатов, их статистическая обработка позволяют признать полученные достижения достоверными, а методические условия формирования предметной компетентности на основе научной системы знаний о микроорганизмах считать экспериментально проверенными.
Проведенное исследование не исчерпывает всех аспектов рассматриваемой проблемы. К перспективным направлениям дальнейших исследований следует отнести:
- разработку системы знаний о микроорганизмах для МСШ (малочисленных сельских школ);
- выявление потенциальных возможностей курса биологии в целом для формирования предметной компетентности.
Результаты исследования отражены в 9 публикациях автора общим объемом 9 п.л.
Учебные пособия.
- Сухорукова Л.Н., Кучменко В.С., Тимошенко И.В. Разнообразие живых организмов: тетрадь – практикум [Текст] / Л.Н. Сухорукова, В.С. Кучменко, И.В. Тимошенко – М.: Просвещение, 2008. – 4,3 п.л.
- Тимошенко И.В. Школьный практикум по микробиологии: методическое пособие [Текст] / И.В. Тимошенко – Ярославль: изд. ЯГПУ, 2006. – 1,5 п.л.
- Тимошенко И.В. Развитие знаний о микроорганизмах в курсе общей биологии: методическое пособие [Текст] / И.В. Тимошенко – Ярославль: изд. ЯГПУ, 2007. – 1,75 п.л.
Статьи, тезисы.
- Тимошенко И.В. Развитие знаний о микроорганизмах в курсе общей биологии на основе компетентностного подхода [Текст] / И.В. Тимошенко – Вестник ВАК ЧГПУ. – Ярославль: 2007. – 0,3 п.л.
- Тимошенко И.В. Методические условия развития знаний о микроорганизмах в курсе общей биологии [Текст] / И.В. Тимошенко – Естествознание: исследования и обучение: материалы международ. конференции «Чтения Ушинского» ЕГФ ЯГПУ. – Ярославль: Изд-во ЯГПУ, 2005. – 0,3 п.л.
- Тимошенко И.В. Основные этапы развития знаний о микроорганизмах в школьном курсе общей биологии [Текст] / И.В. Тимошенко – Естествознание: исследования и обучение: материалы международ. конференции «Чтения Ушинского» ЕГФ ЯГПУ. – Ярославль: Изд-во ЯГПУ, 2006. – 0,3 п.л.
- Тимошенко И.В. Формирование предметных компетенций при изучении школьного курса общей биологии [Текст] / И.В. Тимошенко – Естествознание: исследования и обучение: материалы международ. конференции «Чтения Ушинского» ЕГФ ЯГПУ. – Ярославль: Изд-во ЯГПУ, 2007. – 0,3 п.л.
- Тимошенко И.В. Методические условия развития знаний о микроорганизмах в курсе общей биологии [Текст] / И.В. Тимошенко – Биологическое и географическое образование в современной школе: Материалы международ. науч-практ. конф. – Ярославль: Канцлер, 2005
- Тимошенко И.В. Компетентностный подход при изучении микробиологии: от компетентности учителя к компетентности ученика [Текст] / И.В. Тимошенко – Высшая школа на современном этапе: проблемы преподавания, обучения и функционирования рынка труда. Материалы международ. науч-метод. конф. – Ярославль, изд. ЯГПУ, 2007
