Введение
Сущность содержания любой науки складывается из системы понятий, и биология не является исключением. Дидактические аспекты формирования понятий давно являются предметом особого внимания ученых-методистов. Фундаментальное исследование в области методики обучения биологии было проведено в 1950-х годах под руководством Н.М. Верзилина [1, с. 56]. Разработанная «Теория развития биологических понятий» позволила систематизировать подходы к отбору учебного материала в школьных курсах биологии и оказала значительное влияние на пересмотр методов, приемов и форм обучения и воспитания обучающихся. Отечественный методист И.Д. Зверев исследовал роль логико-психологических и педагогических факторов формирования биологических понятий, отмечая поэтапный характер обогащения содержания понятия новыми компонентами, сведениями и фактами [2, с. 34]. В современной методике обучения биологии пристальное внимание обращено на формирование понятийного аппарата обучающихся, так как только биология, в отличие от других учебных дисциплин, знакомит обучающихся с живыми организмами. Поэтому отбор содержания биологических понятий должен быть нацелен на формирование у обучающихся целостного представления о жизни, подчеркивая её исключительную ценность [3; 4, с. 49; 5].
Большое значение в формировании представлений о ключевых процессах жизнедеятельности живых организмов принадлежит молекулярной биологии, которая способствует обеспечению у обучающихся систематизированных знаний о структурно-функциональной организации клеточных биополимеров, механизмах их биосинтеза, а также раскрывает прикладной потенциал современных молекулярно-биологических исследований [6]. Это позволит сформировать у обучающихся целостное представление о цитологии, онтогенезе, генетике и стимулировать интерес старшеклассников к науке, побуждая их к выбору будущих профессий в области биологии, медицины, биотехнологий [7-9]. Исходя из выше сказанного целью настоящей работы является апробация и оценка эффективности методики формирования понятий молекулярной биологии у обучающихся десятого класса.
Методы и принципы исследования
1. Теоретические: изучение и анализ биологической, методической, педагогической и психологической литературы; систематизация и обобщение результатовисследования.
2. Эмпирические: педагогическое наблюдение, диагностика уровня готовности к освоению учебного материала Т.Д. Дубовицкой; тестирование; констатирующий и формирующий эксперименты.
3. Статистические: математическая обработка результатов исследования и количественное их выражение с помощью показателя коэффициента полноты усвоения содержания понятия А.В. Усовой [10].
Результаты исследования и их обсуждение
Основываясь на теоретических подходах к формированию биологических понятий, авторы разработали специальную экспериментальную методику. Данная методика была проверена при обучении биологии в 10 классе. Экспериментальная работа осуществлялась на базе МОУ «Средняя общеобразовательная школа с углубленным изучением отдельных предметов № 18» г. Саранск. В эксперименте приняли участие две группы обучающихся: экспериментальная группа (10 А класс) в составе 25 человек и контрольная группа (10 Б класс) в количестве 25 обучающихся.
При разработке методики авторами были выделены её основные элементы, которые реализуются в ходе апробации:
1) целевой;
2) содержательный;
3) процедурный;
4)оценочный.
Цель данной методики заключается в познании и усвоении молекулярно-биологических понятий для объяснения сущности реализации наследственной информации на разных уровнях организации жизни. Обозначенная цель конкретизируется задачами в аспекте обучения, воспитания и развития [11, с. 15; 12].
Задачи обучения, направленные на достижение предметных результатов, могут быть сформулированы следующим образом: сформировать у обучающихся знания о структуре ДНК, РНК, белков; обеспечить усвоение знаний о процессах репликации, транскрипции и трансляции в контексте использования работ Э. Чаргаффа, Ф. Крика, Р. Оказаки; сформировать у обучающихся знания о важности данных исследований для развития биотехнологий [13, с. 99-125].
Задачи воспитания в контексте достижения личностных результатов обучающихся заключаются в следующем: стимулировать у обучающихся интерес к науке, используя материалы о выдающихся ученых-биологах и об истории развития молекулярной биологии;развивать стремление к познанию молекулярно-биологических процессов; мотивировать к самостоятельному поиску биологической информации и выработке эффективных способов усвоения новых знаний.
Задачи развития, связанные с метапредметными результатами, включают в себя следующие пункты: учить обучающихся применять принципы молекулярной биологии при решении биологических задач, а также формулировать выводы на основе анализа биологический информации.
Учитывая цель и задачи методики, представим содержание молекулярно-биологического материала. Основываясь на положениях принципов фундаментальности и системности в образовании, считаем, что изучаемый материал должен отражать характеристику биологической картины мира и включать в себя четыре компонента.
1. Знания:
- гносеологические: история развития молекулярной биологии как науки; методы молекулярной биологии;
- цитологические: клетка – сравнительная характеристика бактериальной, растительной и животной клеток, их строение, способы деления клетки;
- биохимические: строение органических и неорганических веществ в клетке;
- генетические: гены; генетический код;
- молекулярно-биологические (репликация, транскрипция, трансляция);
- основы вирусологии (общая характеристика и специфика вирусов).
2. Умения:
- интеллектуальные: объяснять основные принципы регуляции клеточных процессов; анализировать молекулярные механизмы, лежащие в основе синтеза ДНК, РНК и белков; установление причинно-следственных связей в процессах жизнедеятельности клеток;
- практические: владеть навыками работы с микроскопами, центрифугами и другим лабораторным оборудованием; применять теоретический материал в практике решения биологических задач, в том числе на правила Чаргаффа, биосинтез белков.
3. Опыт эмоционально-ценностных отношений: проявление интереса к молекулярно-биологическим явлениям; осознание практической значимости молекулярной биологии в области медицины ибиотехнологий.
4. Опыт творческой деятельности: обобщенное представление молекулярно-биологической информации в виде логических схем и текстовых таблиц.
Перейдем к описанию процедурной части методики, которая была реализована в педагогическом эксперименте. Перед проведением экспериментальных уроков авторами было проведено тестирование для выявления уровня готовности обучающихся к изучению молекулярно-биологических явлений с помощью следующих вопросов:
1.Дополните утверждение: «Молекулярная биология – это…»
2.Изучение биологии даёт мне возможность узнать много важного для себя, проявить свои способности?
3.Кажется ли Вам, что материал о молекулярных механизмах функционирования организма интересный и познавательный?
4.Как Вы считаете, нужно ли изучать молекулярную биологию для понимания процессов жизнедеятельности?
Проанализировав полученные сведения, отметим, что 40% опрошенных обучающихся имеют низкий уровень заинтересованности в учебном материале; 35% старшеклассников выражают заинтересованность в изучении молекулярной биологии на среднем уровне, и 25% обучающихся имеют высокий уровень готовности применять полученные знания как на уроках биологии, так и в реальной жизни. В этой связи был организован и реализован педагогический эксперимент, построенный на принципах деятельностного подхода и включающий три этапа. Первый из них называется вводный, или мотивационный. Он был важен для активации познавательного интереса к изучению биологических явлений через обсуждение исторического контекста клеточной теории и открытий в области молекулярной биологии, а также изучение современных методов молекулярно-биологических исследований.
Основной этап эксперимента состоял из пяти уроков и был ориентирован на углубление у десятиклассников понимания биохимических процессов, а также структурно-функциональной организации эукариотической и прокариотической клеток. Данный этап необходим для понимания клеточных процессов взаимодействия биологических молекул, а также механизмов хранения и реализации наследственной информации у живых организмов. На данном этапе формируются следующие понятия: биологические полимеры, комплементарность, органоиды клетки, хромосомы, кариотип.
Заключительный (оценочный) этап педагогического эксперимента был ориентирован на изучение процесса реализации наследственной информации в клетке, включая механизмы репликации ДНК, транскрипции и трансляции, а также особенностей существования вирусов и протекания обратной транскрипции. Основные понятия, формируемые на данном этапе: генетический код, репликационная вилка, триплет, кодон, антикодон, ретровирусы.
Эффективность проведённых уроков по формированию знаний о молекулярно-биологических понятиях оценивалась на заключительном этапе разработанной методики. На основе комплексного анализа научно-методической литературы и данных, полученных в ходе эмпирического наблюдения, был осуществлен подбор критериев и способов замера уровня сформированности знаний у обучающихся при изучении учебного материала молекулярно-биологического содержания (табл. 1) [14; 15].
Таблица 1
Критерии и способы замера сформированности молекулярно-биологических знаний
|
№ п/п |
Критерии и показатели |
Способы замера |
|
Когнитивный критерий |
||
|
1 |
Выражение обучающимися сущности понятия «молекулярная биология» и методов ее исследования |
Ответы обучающихся в отношении задания по выражению сущности понятия «молекулярная биология» и ее научных методов исследования |
|
2 |
Выражение обучающимися знаний о структурно-функциональных особенностях молекулярно-клеточного уровня жизни |
Ответы обучающихся в отношении задания по выражению знаний о структуре и функциях макромолекул в клетке |
|
Деятельностный критерий |
||
|
3 |
Готовность обучающихся решать молекулярно-биологические задачи |
Выполнение заданий на объяснение процессов реализации наследственной информации |
Примечание: составлено авторами на основе полученных данных в ходе исследования.
Анализ результатов тестирования, представленный на рисунке 1, демонстрирует улучшение в понимании обучающимися определения молекулярной биологии после применения разработанной методики. В контрольной группе лишь 45% респондентов смогли дать правильный ответ, в то время как 55% допустили ошибки. После проведения формирующего эксперимента, в рамках которого особое внимание уделялось методологии молекулярной биологии и изучению структуры и свойств макромолекул, 85% обучающихся экспериментальной группы дали правильный ответ, 10% – неполный, а лишь 5% – неверный.
Рис. 1. Показатель первого критерия сформированности знаний о понятии «молекулярная биология» на констатирующем и контрольном этапах эксперимента, %
Источник: составлено авторами по результатам данного исследования.
В качестве второго оценочного критерия выступает степень усвоения обучающимися понятий о структурных особенностях и функциях макромолекул в клетках, которая проверялась с помощью задания на классификацию видов РНК. Обучающиеся должны были заполнить таблицу, указав для каждого типа РНК местоположение в клетке и основные функции (иРНК, находящаяся в ядре и цитоплазме, переносит генетическую информацию от ДНК; тРНК, локализованная в цитоплазме, транспортирует аминокислоты к месту синтеза белка; рРНК, находящаяся в цитоплазме и на ЭПС, составляет основу рибосом). 80% респондентов экспериментальной группы успешно справились с заданием, что свидетельствует о высоком уровне усвоения материала; неверные ответы дали 20% обучающихся, это может указывать на необходимость повторного объяснения темы и дополнительных занятий для улучшения понимания материала (рис. 2).
Рис. 2. Показатель второго критерия сформированности знаний о структурных и функциональных особенностях молекулярно-клеточного уровня жизни на констатирующем и контрольном этапах эксперимента, %
Источник: составлено авторами по результатам данного исследования.
Оценивание уровня освоения деятельностного компонента осуществлялось на основе анализа понимания обучающимися сущности ключевых процессов транскрипции, трансляции, посттрансляционной модификации белков, а также принципов комплементарности и антипараллельности ДНК; способности определять при помощи генетического кода последовательность нуклеотидов в последовательность аминокислот в полипептиде. В качестве диагностического средства обучающимся было предложено задание, в котором нужно было решить биологическую задачу на биосинтез белка. В контрольной группе обучающиеся сталкивались с трудностями, которые выражались в неверном определении рамки считывания, кодонов и антикодонов, а также аминокислот в полипептиде. Большая часть респондентов не справлялась с использованием биологических символов при объяснении результатов задачи. Предложенная методика была направлена на устранение данного пробела в биологической подготовке путём создания благоприятных условий для лучшего усвоения учебного материала. На завершающем этапе формирующего эксперимента 75% обучающихся экспериментальной группы успешно справились с заданием, демонстрируя освоение необходимыхзнаний (рис. 3).
Рис. 3. Показатель сформированности деятельностного критерия на констатирующем и контрольном этапах эксперимента, %
Источник: составлено авторами по результатам данного исследования.
Математический анализ оценки полноты усвоения содержания молекулярно-биологических понятий рассчитывался по формуле:
где Ксод – показатель, характеризующий уровень усвоения существенных признаков понятия; Li – количество признаков, определенных i-м обучающимся; L – количество признаков, подлежащих усвоению; N – общее число обучающихся в классе. Результаты расчётов приведены втаблице 2.
Таблица 2
Значение коэффициента полноты усвоения содержания молекулярно-биологических понятий
|
№ п/п |
Коэффициент полноты усвоения содержания понятий у обучающихся на начальном этапе |
Коэффициент полноты усвоения содержания понятий у обучающихся на заключительном этапе |
|
1 |
0,2 |
0,8 |
|
2 |
0,4 |
0,7 |
|
3 |
0,2 |
0,7 |
Примечание: составлено авторами на основе полученных данных в ходе исследования.
Количественный анализ степени усвоения содержания понятия позволяет установить, насколько полно обучающимися усвоены существенные признаки, из которых складывается то или иное понятие и характеризует: содержание понятия (все существенные признаки и свойства объекта); объём понятия (количество объектов, входящих в состав понятия); взаимосвязи с другими понятиями. Результаты, представленные в таблице, подтверждают эффективность работы по формированию понятий молекулярной биологии в 10 классе. На заключительном этапе большинство обучающихся правильно выражали суждения, отражающие ключевые понятия.
Следовательно, апробированная в педагогическом эксперименте методика дала положительный результат. Это проявилось в том, что большая часть обучающихся смогла правильно выразить определение молекулярной биологии как науки, охарактеризовать главные черты строения биологических полимеров и раскрыть сущность процессов матричного синтеза.
Заключение
В условиях модернизации современного школьного образования при реализации государственных стандартов актуальной проблемой остается формирование понятий у обучающихся. Это в полной мере относится и к молекулярно-биологическому материалу, который обеспечивает усвоение знаний о механизмах жизнедеятельности на клеточном уровне жизни, дает основу для понимания принципов здоровьесберегающего поведения и раскрывает возможности применения полученных знаний в практической деятельности. Исходя из выше сказанного, настоящая работа была посвящена решению проблемы методики формирования понятийного аппарата при изучении молекулярной биологии в десятом классе. Для успешного развития обозначенных понятий авторами выяснены теоретические основы организации процесса обучения. Таковыми являются принципы научности, систематичности и доступности в изучении названных понятий. На их основе определен состав молекулярно-биологических понятий, разработана и апробирована соответствующая методика. Всё это позволило достичь положительного результатаисследования.