Курсовая работа: Метод моделирования в ходе изучения вопросов общей биологии
Позднее более сложные модели, основанные на гораздо более глубоком количественном подобии, строились на принципах электротехники и электроники. Так, на основе данных электрофизиологических исследований были построены электронные схемы, моделирующие биоэлектрические потенциалы в нервной клетке, е отростке и в синапсе. Построены также механические машины с электронным управлением, моделирующие сложные акты поведения (образование условного рефлекса, процессы центрального торможения и пр.).
Значительно большие успехи достигнуты в моделировании физико-химических условий существования живых организмов или их органов и клеток. Так, подобраны растворы неорганических и органических веществ (растворы Рингера, Локка, Тироде и др.), имитирующие внутреннюю среду организма и поддерживающие существование изолированных органов или культивируемых вне организма клеток.
Модели биологических мембран (плёнка из природных фосфолипидов разделяет раствор электролита) позволяют исследовать физико-химические основы процессов транспорта ионов и влияние на него различных факторов. С помощью химических реакций, протекающих в растворах в автоколебательном режиме, моделируют колебательные процессы, характерные для многих биологических феноменов, дифференцировки, морфогенеза, явлений в сложных нейронных сетях и т. д.
Математические модель (математическое и логико-математическое описания структуры, связей и закономерностей функционирования живых систем) строятся на основе данных эксперимента или умозрительно, формализованно описывают гипотезу, теорию или открытую закономерность того или иного биологического феномена и требуют дальнейшей опытной проверки. Различные варианты подобных экспериментов выявляют границы применения математической модели и дают материал для е дальнейшей корректировки. Математическая модель в отдельных случаях позволяет предсказать некоторые явления, ранее не известные исследователю. Так, модель сердечной деятельности, предложенная голландскими учёными ван дер Полом и ван дер Марком, основанная на теории релаксационных колебаний, указала на возможность особого нарушения сердечного ритма, впоследствии обнаруженного у человека. Из математической модели физиологических явлений следует назвать также модель возбуждения нервного волокна, разработанную английскими учёными А. Ходжкином и А. Хаксли. На основе теории нервных сетей американских учёных У. Мак-Каллока и У. Питса строятся логико-математические модели взаимодействия нейронов. Системы дифференциальных и интегральных уравнений положены в основу моделирования биоценозов (В. Вольтерра, А. Н. Колмогоров). Марковская математическая модель процесса эволюции построена О. С. Кулагиной и А. А. Ляпуновым. И. М. Гельфандом и М. Л. Цетлиным на основе теории игр и теории конечных автоматов разработаны модельные представления об организации сложных форм поведения. В частности, показано, что управление многочисленными мышцами тела строится на основе выработки в нервной системе некоторых функциональных блоков — синергий, а не путём независимого управления каждой мышцей. Создание и использование математических и логико-математических М., их совершенствование способствуют дальнейшему развитию математической и теоретической биологии.
Метод моделирования в биологии является средством, позволяющим устанавливать все более глубокие и сложные взаимосвязи между биологической теорией и опытом. В последнее столетие экспериментальный метод в биологии начал наталкиваться на определенные границы, и выяснилось, что целый ряд исследований невозможен без моделирования. Если остановиться на некоторых примерах ограничений области применения эксперимента, то они будут в основном следующими: (19 с15)
- эксперименты могут проводиться лишь на ныне существующих объектах (невозможность распространения эксперимента в область прошлого);
- вмешательство в биологические системы иногда имеет такой характер, что невозможно установить причины появившихся изменений (вследствие вмешательства или по другим причинам);
- некоторые теоретически возможные эксперименты неосуществимы вследствие низкого уровня развития экспериментальной техники;
- большую группу экспериментов, связанных с экспериментированием на человеке, следует отклонить по морально - этическим соображениям.
Но моделирование находит широкое применение в области биологии не только из-за того, что может заменить эксперимент. Оно имеет большое самостоятельное значение, которое выражается, по мнению ряда авторов (19, 20,21), в целом ряде преимуществ:
1. С помощью метода моделирования на одном комплексе данных можно разработать целый ряд различных моделей, по-разному интерпретировать исследуемое явление, и выбрать наиболее плодотворную из них для теоретического истолкования;
2. В процессе построения модели можно сделать различные дополнения к исследуемой гипотезе и получить ее упрощение;
3. В случае сложных математических моделей можно применять ЭВМ;
4. открывается возможность проведения модельных экспериментов (синтез аминокислот по Миллеру) (19 с152).
Все это ясно показывает, что моделирование выполняет в биологии самостоятельные функции и становится все более необходимой ступенью в процессе создания теории. Однако моделирование сохраняет свое эвристическое значение только тогда, когда учитываются границы применения всякой модели.
2.2 О формах моделирования биологических понятий
Построение моделей как одна из сторон диалектической пары противоположностей анализ-синтез имеет много аспектов, из которых некоторый выдвигается на первый план.
Особенно существенным при построении моделей является аспект отражения, понимаемого в смысле теории познания.
Каждая модель хранит знания в надлежащей форме; при этом запоминание знаний, как правило, связано с уменьшением избыточности. Поэтому каждая модель имеет также языковую функцию. Содержание знаний является семантической стороной; способы, с помощью которых знания вводятся в модель, кодируются в ней, являются синтаксической стороной. Последний языковой компонент имеет большое значение при активизации модели при каждом приведении ее в действие.
Но в то же время модель в своей функции как структура для хранения знаний является связующим звеном между теоретическим и эмпирическим познанием. Фразу «нет ничего проще хорошей теории» следует воспринимать дословно. Формализованная теория позволяет описать большое число частных фактов с помощью наибольшего числа основных результатов. Следовательно, главное назначение теории – в уменьшении избыточности, обусловленной изобилием частных фактов, и связанных с этим более глубоким познанием закономерных связей.
В основе каждой модели лежит более или менее развитая теория отображаемого объекта; эта теория укладывается в синтаксически установленные рамки, в концепцию системы, положенную в основу конкретного построения модели.
Системная концепция фиксирует общие рамки модели, иначе говоря, определяет структуру памяти модели. Конкретная форма модели, в которой она может действовать в качестве замены только одного конкретного объекта, получается благодаря тому, что экспериментальные, то есть эмпирические, данные приводятся в соответствии с этими рамками, то есть для параметров модели, ее степеней свободы шаг за шагом устанавливаются все более достоверные значения. В этом смысле каждая разработанная модель выражает компромисс между теорией и практикой, между теоретическими познаниями и эмпирическими данными.
Основным стержнем системы развивающего обучения является деятельностный подход. Поэтому содержание обучения задано в виде способов детских действий, а значит, результатом такого обучения будет ряд способностей, которыми овладеют дети в ходе обучения. Но какие именно человеческие способности кроются в способах работы с биологическими объектами? Какие из этих способностей уместно делать предметом школьного курса обучения биологии? Что такого особенного есть в биологии, чего не может дать детям изучение химии, физики и истории? Таким образом, я, как будущий учитель биологии, должна найти то уникальное, что бы показать, что мой предмет может дать формирующемуся сознанию ученика.
Для биологии ключевым словом является слово «развитие». Философы биологии все чаще обращают внимание на то, что биология со времени Ч.Дарвина все более формируется как наука о возникновении и развитии органического мира. Преимущественное внимание именно к аспекту развития до сих пор отличает биологию от физики и химии, как бы ни усиливалась ее зависимость от этих наук.
Усвоение понятия развития предполагает овладение особым способом рассмотрения живого – потенциальным действием с ним. Овладение понятием развития помогает становлению у человека способности к осторожной и внимательной оценке событий, умению видеть эти события в связи с другими, а не изолированно; способности предвидеть разные возможные варианты развертывания событий, последствия вмешательства в динамику сложных системных объектов; способности реконструировать ход уже свершившегося процесса. Это и есть, с моей точки зрения, те базовые компетентности, которые возможно формировать у школьников на биологическом материале при соответствующем построении содержания, форм и методов учебной работы. Очень важно отметить то, что, хотя эти способности могут и должны быть выращены у каждого человека именно в ходе изучения биологии (на биологическом материале), они могут быть применены в самых разных сферах повседневной социальной жизни людей. Поэтому такой базовый курс школьной биологии будет нужен всем без исключения подросткам.
При изучении любого раздела биологии, важно не только продемонстрировать учащимся, но и предоставить им возможность самим убедиться в том, что каждый специальный термин несет в себе информацию о природе явления, структуре объекта, принципе работы объекта, его свойствах, взаимной связи структуры вещества с его свойствами, строения объекта с его функционированием. [11]
Учащиеся часто не соотносят между собой теоретические знания об объекте исследования и его строением, попросту говоря, не могут по описанию составить «портрет» объекта, и наоборот. Путают понятия: вещество - тело, структура вещества - форма тела, структурные единицы - части целого. Применение в обучении информационных устройств: компьютера, телевизора, магнитофона, мобильного телефона, принтера, интерактивной доски позволяет по-новому решать учебные задачи. Однако электронные модели не всегда дают полное представление об объекте. Вследствие чего мы предлагаем проводить занятия по моделированию биологических объектов с использованием пластилина.
Моделирование – это метод создания и исследования моделей. Изучение модели позволяет получить новое знание, новую целостную информацию об объекте.
Существенными признаками модели являются: наглядность, абстракция, элемент научной фантазии и воображения, использование аналогии как логического метода построения, элемент гипотетичности. Иными словами, модель представляет собой гипотезу, выраженную в наглядной форме.
В ходе занятия учащимся предлагают выполнить модели из курса биологии (вирусы, бактерии, клетка – в общей биологии, так же такой метод можно применять и в ботанике, зоологии, анатомии). Важным свойством модели является наличие в ней творческой фантазии. Процесс создания модели достаточно трудоемкий, учащиеся как бы проходит через несколько этапов.
Первый – тщательное изучение опыта, связанного с интересующим исследователя явлением, анализ и обобщение этого опыта и создание гипотезы, лежащей в основе будущей модели.
Второй – составление программы исследования, организация практической деятельности в соответствии с разработанной программой, внесение в не коррективов, подсказанных практикой, уточнение первоначальной гипотезы исследования, взятой в основу модели.
Третий – создание окончательного варианта модели. Если на втором этапе исследователь как бы предлагает различные варианты конструируемого явления, то на третьем этапе он на основе этих вариантов создает окончательный образец того или проекта, который собирается воплотить.
Другими словами учащиеся «пропускают» через себя информацию, анализируют ее и воплощают модель. Проводя такие занятия, преподаватель довольно легко может определить, насколько ученик понимает предмет. При использовании пластилина в занятиях по моделированию биологических объектов не возникает проблем восприятия: самого задания, стереотипа мышления, видение объекта только в одной плоскости, смешение цветов и форм.
Главными задачами такого метода обучения являются:
l получение фактических знаний;
l изучение наиболее сложных для познания вопросов по биологии;
l формирование навыка поиска правильного решения задания с применением анализа и синтеза;
l изучение и применение метода моделирования на практике;
l ознакомление с разрабатываемыми в последнее десятилетие в России и за рубежом биологическими проблемами при проведении работ в компьютерном классе.
Самым главным в этой работе оказалось детское открытие, что любое действие может привести к изменению формы и структуры объекта; и то, что любое словесное объяснение нужно доказать изготовлением модели, желательно действующей. После «пластилиновых» работ лучше воспринимается электронные модели, теоретический материал. В свою очередь, мультимедийная информация предоставляет новые возможности использования различных «неожиданных» материалов для объемного моделирования объектов исследования в классе и дома.
На большинстве уроков происходит совместная работа учеников и учителя по открытию общих принципов функционирования, устройства и развития живых существ и других биологических систем. Эти общие принципы воплощаются в разнообразных моделях. Эти модели впоследствии становятся основой детской самостоятельности, средством понимания учебных и авторских текстов и исследования нового.
По нашему мнению, подобный тип обучения формирует у детей умение учиться, учить себя. Наиболее важные, ключевые, содержательные шаги в развитии важных биологических понятий, с моей точки зрения, необходимо строить как собственные детские исследования и открытия. Понятие развития выстраивается как итог всей учебной работы учащихся по ходу разворачивания предметной логики. Оно опирается на многообразную работу с модельными формами, обслуживающими формирование ключевых понятий биологии: понятий органа, организма, индивидуального развития, эволюции, популяции, экосистемы. Эти базовые понятия становятся «очками» нового видения ребенком мира живых существ и возможных собственных действий в этом мире.
Заключение
Согласно Концепции модернизации российского образования на период до 2010 года, школа должна формировать целостную систему универсальных знаний, умений, навыков, а также самостоятельной деятельности и личной ответственности обучающихся, т.е. ключевые компетентности, определяющие современное качество образования. Определены важнейшие воспитательные задачи «формирование у школьников гражданской ответственности и правового самосознания, духовности и культуры, инициативности, самостоятельности, толерантности, способности к успешной социализации в обществе и активной адаптации на рынке труда». [3, с.7]
Компетенции – социальное требование к образовательной подготовке ученика, необходимой для его эффективной продуктивной деятельности в определенной сфере.
Для формирования информационных компетенций во время изучения школьного курса биологии учитель должен развивать способность обучающегося самостоятельно искать, извлекать, систематизировать, анализировать и отбирать необходимую для решения учебных задач информацию, организовывать, передавать ее.[7, с.36]
Содержание предмета биологии позволяет ребенку в содружестве с учителем познавать мир живой природы, себя, закономерности развития органического мира. Проблемы природы – это проблемы и человека. Поэтому обучение на уроках биологии должно проходить под девизом: «Живя в мире, будь его полноценной частью!».
Перед учеными и учителями стоит постоянный вопрос: как развивать мышление учащихся в процессе обучения?
В действующие программы по предметам, в том числе по биологии, включен раздел «Требования к знаниям и умениям учащихся». Однако практика показывает, что учителя далеко не в полной мере реализуют эти требования, уделяя основное внимание формированию у учащихся знаний, а не умений. И происходит это не потому, что не хотим, а потому, что не знаем или не догадываемся, что важнее: знать или уметь?
Связь между знаниями и умениями можно охарактеризовать так: «Умения – это знания в действии». Без знаний нет умений, но сами знания не могут быть усвоены и сохранены без умений.
Часто к конечному результату ученик подводится посредством выполнения требований учителя: думай, спрашивай, слушай, повторяй. А как думать? Как смотреть? От ученика скрыты действия и порядок их выполнения. Поэтому необходимо раскрыть приемы, то есть надо показать, из каких действий прием состоит (состав) и в какой последовательности надо выполнять учебные действия (структура приема).
Воспитание ученика-исследователя – это процесс, который открывает широкие возможности для развития активной и творческой личности, способной вести самостоятельный поиск, делать собственные открытия, решать возникающие проблемы, принимать решения и нести за них ответственность. Только в поиске, в ходе самостоятельных исследований развивается мышление ребенка, знания и умения добываются в результате его собственного познавательного труда. Одним из таких самостоятельных исследований является моделирование.
Моделирование – это наглядно-практический метод обучения. Наглядность является необходимым и закономерным средством образовательного процесса на всех этапах изучения биологии в средней школе, так же как и практический метод. Специальные психолого-педагогические исследования показали, что эффективность обучения зависит от степени привлечения всех органов чувств человека. Чем разнообразнее чувственное восприятие учебного материала, тем прочнее он усваивается. Вследствие этого мы считаем, что совокупность наглядного и практического методов обучение, в виде метода моделирования является самодостаточным и должен занять достойное место среди современных методов обучения.
Литература
1. Аверьянов А.Н. Системное познание мира: методологические проблемы. М., 1991, С. 204, 261–263.
2. Алтухов В.Л., Шапошников В.Ф. О перестройке мышления: философско-методологические аспекты. М., 1988.
3. Сборник нормативных документов Биология М., «Дрофа», 2004
4. Батоpоев К.Б. Кибеpнетика и метод аналогий. М., Высшая школа, 1974
5. Богомолов А.С. Античная философия. М., МГУ, 1985
6. Будущее искусственного интеллекта. М., Наука,1991, С. 280–302.
7. В.П.Ермаков, Г.А.Якунин; «Основы тифлопедагогики», М., «Владос», 2000, с.69-76.
8. Вопросы философии, 1995, №7, С. 163.
9. Биология 9-11. Экспресс методика быстрого усвоения школьного курса и подготовки к экзаменам. Новая школа.2005. http://www.new-school.ru/
10. Виртуальная школа Кирилла и Мефодия. Репетитор по биологии подготовка к ЕГЭ 2006.
11. В.С Конюшенко, С.Е Павлюченко.,. С.В Чубаро; «Методика обучения биологии». Минск, «Книжный Дом», 2004.
12. Г.Л. Билич, В.А. Крыжановская., Биология для поступающих в вузы. М., «Оникс»,2007, с.174.
13. Могилев А.В., Пак Н.И., Хеннер Е.К. Информатика, М., Академия, 1999, С.674–677.
14. Новик И.Б. О философских вопросах кибернетического моделирования. М., Знание ,1964.
15. Высоцкая М.В. Нетрадиционные уроки по биологии в 5-11 классах, М., Учитель, 2010.
16. Новик И. Б., О моделировании сложных систем, М., 1965
17. Моделирование в биологии и медицине, Л., 1969
18. Советский энциклопедический словарь (под ред. А.М. Прохорова) — М., Советская Энциклопедия, 1980, С. 828.
19. Фролов И.Т. "Жизнь и познание. О диалектике в современной биологии" М.: Мысль, 1981
20. Амосов Н.М. "Моделирование мышления и психики" М.: Наука, 1965
21. Веденов А.А. "Моделирование элементов мышления" М.: Наука, 1988
22. Фpолов И.Т. Гносеологические пpоблемы моделиpования. М., Наука, 1961, С.20.
23. Теоретическая и математическая биология, пер. с англ., М., 1968
24. Штофф В.А. Моделиpование и философия. М., Наука, 1966.
25. http:///
26. Pocket Oxford Dictionary, March 1994, Oxford Univercity Press, 1994 (Электронная версия)
27. http://festival.1september.ru
28. Практика развивающего обучения (система Д. Б. Эльконина – В. В. Давыдова)”, А. Б. Воронцов М., “русская Энциклопедия”., 1998.
29. Полат Е. С. «Новые педагогические и информационные технологии в системе образования» Москва, « Академия », 2001г.
30. Т. П. Сальникова «Педагогические технологии» Москва, «Просвещение», 2005.г.
31. Концепции современного естествознания: Учебное пособие – М.: Высшая школа, 1998.
32. Практическая психология образования 2-е изд. – Москва, ТЦ «Сфера», 1998 г. – Под редакцией И.В. Дубровиной.
33. Педагогика. Учебное пособие для студентов педагогических вузов и педагогических колледжей / Под ред. П.И. Пидкасистого. — М.: Педагогическое общество России, 1998.
34. Кларин М.В. “Инновации в обучении. Метафоры и модели.” Москва, Наука”, 1997г.
35. Виноградова М.Д., Первин И. Б. Коллективная познавательная деятельность и воспитание школьников. - М., 1977.
