Хорошо известно что, биология как наука имеет два основных направления развития: анатомо-морфологическое и физиологическое. Исторически физиологическое направление в биологической науке зародилось гораздо позже морфологического и, во многом, обязано не морфологам, а физикам и химикам. Анализируя историческое развитие морфологии и физиологии, К.А. Тимирязев писал: «Для того, чтобы быть морфологом, нужно быть морфологом и только. Для того, чтобы быть физиологом, нужно быть в известной степени и физиком, и химиком, и морфологом» [8, с. 23-24]. Пока морфологи (и в первую очередь, ботаники и зоологи) занимались исключительно формами, физики и химики проникли в область растительной и животной жизни и заложили основу физиологического направления. Этот факт является вполне естественным, так как для открытия физиологических процессов и понимания их сущности требуются теоретические знания и экспериментальные методы физики и химии.
Изучать физиологические функции тех или иных живых объектов природы гораздо сложнее, чем их структуру. Понятия, отражающие физиологические процессы, являются во многом абстрактными и требуют теоретического уровня мышления. Поэтому не только для учащихся, но и студентов их формирование вызывает значительную трудность. Подтверждением этому является мнение корифеев методики биологии - Н.М. Верзилина и В.М. Корсунской, которые, анализируя принципы теории развития понятий, отмечают, что: «значительную сложность представляет систематическое развитие понятий и умений физиологического характера» [1, с. 101].
Целенаправленно физиологические понятия закладываются в разделе «Растения» в 6 классе. К ним относятся такие понятия как: «обмен веществ», «метаболизм», «ассимиляция», «диссимиляция», «анаболизм», «катаболизм», «фотосинтез», «дыхание» и др. Ключевое понятие «обмен веществ» является фундаментальным для всего курса биологии, и от степени его сформированности зависит понимание сущности биологической формы движения материи в целом. На этом делают акцент названные выше методисты: «Важнейшее понятие об обмене веществ, связанном с жизненными функциями и условиями жизни, требует особого внимания. Обычно физиологические процессы, в особенности у растений, изучаются раздельно по органам: дыхание, питание минеральное, питание воздушное, испарение, превращение веществ, рост. Задача же развития понятий заключается в том, чтобы учащиеся понимали, какие процессы происходят в целом растении и связи с какими условиями. В результате учащиеся должны уметь устанавливать связи между процессами и условиями жизни» [1, с. 90].
Научному формированию и планомерному развитию понятия об обмене веществ мешает отсутствие должного внимания обмену внутриклеточному, внутритканевому и превращениям энергии. Энергетическая сторона обмена веществ, при изучении разделов «Растения» и «Животные», совсем не отмечается; очень поверхностно она дается и в разделе «Человек и его здоровье». Понятие о превращении энергии включается иногда в формулировку об обмене веществ, но в развитии его не участвует.
Основной причиной не прочного усвоения понятия об обмене веществ в курсе биологии, и особенно при изучении раздела «Растения», является отсутствие опоры на такие фундаментальные естественнонаучные понятия, как «вещество» и «энергия». Без получения элементарных знаний о превращении вещества и энергии нельзя понять сущности физиологических процессов, прежде всего, таких, как фотосинтез и дыхание, которые тесно сопряжены между собой и составляют основу внутриклеточного обмена у растений. Фотосинтез составляет основу анаболизма не только на уровне растения, но и планетарном, а дыхание – на уровне катаболизма. Поэтому без понимания сущности этих процессов (хотя бы в общем виде) невозможно сформировать и такие основополагающие понятия курса биологии как «метаболизм» и «обмен веществ».
Большие надежды учителя возлагали на ныне действующие учебники для 6 класса, которые имеют общее название «Биология». Однако изменения, которые они претерпели, коснулись не столько содержания, сколько формы, и по существу принципиальные вопросы не были решены, в том числе и этот. Следует констатировать, что в учебниках по биологии для 6 класса, подготовленных разными авторами (В.В. Пасечником, Н.И. Сониным, И.Н. Пономаревой с сотр.), фотосинтез и дыхание по-прежнему рассматриваются лишь со стороны их внешних проявлений. Так, например, в основу изучения фотосинтеза положены выделение условий, необходимых для его протекания (свет, углекислый газ, вода, листья с хлорофиллом), и наблюдение результатов этого процесса (образование крахмала и выделение кислорода) [4; 5; 7]. Отсутствие физических и химических знаний не позволяет при изучении этого процесса перейти от явления к сущности: выяснить, какие химические реакции лежат в основе превращения вещества и какие формы энергии используются при этом. При таком обучении все содержание физиологических понятий, в конечном счете, исчерпывается ощущениями и восприятиями, а за мышлением остается только роль суммирования, упорядочения ощущений и восприятий. Подобный подход, по мнению И.Л. Новицкой, «характерен для эмпирической схемы обобщения и образования понятий, на основании которой у школьников формируется эмпирический тип мышления» [3, с. 28]. Практика показывает, что этот тип мышления остается у большинства школьников старших классов и даже у большинства студентов вузов. Так, подавляющая часть студентов 3−4 курсов биологических факультетов сущность фотосинтеза и дыхания сводят к газообмену, т.е. к внешним их проявлениям, которые они изучали в разделе «Растения». В своей работе И.Л. Новицкая отмечает, что «…добиться качественного улучшения преподавания биологии можно, только если в основу построения будет заложена цель формирования у школьников научно-теоретического мышления. А для этого необходимо создание единого теоретического курса школьной биологии» [там же].
Смена парадигмы в области биологического образования в настоящее время, обусловлена прежде всего социально-экономическими запросами общества. Это очень точно подмечено Л.В. Ребровой: «Главная цель и задачи биологического образования в нынешних радикально изменившихся условиях – развитие у учащихся биологического мышления, навыков самостоятельного освоения и критического анализа новых сведений, умения строить научные гипотезы (пусть и несколько наивные) и планировать поиск доказательств для их проверки» [6, с. 26]. Данный автор считает, что сегодня биология среди учебных предметов приобретает особое значение, так как биологические знания, умения и навыки, которые призвана дать школа, являются фундаментом культуры личности.
Вполне очевидно, что для реализации выше указанной цели необходимо разработать и претворить в жизнь новые концепции и подходы. И эту проблему также ставит Л.В. Реброва: «К сожалению, существующие методики явно устарели. За последние годы появились новые учебники по биологии, а методики преподаваний остались без изменений, хотя время, новая программа настоятельно диктуют потребность в таких переменах. Слово за учеными» [6, с. 27].
Данная проблема, по мнению Б.Д. Комиссарова, может решаться разными путями. Суть первого пути состоит в том, что в существующем курсе, начиная с 6 класса, учитель биологии неизбежно должен «забегать вперед» и до изучения основ соответствующих наук в урезанной и поверхностной форме знакомить школьников с теми физическими, химическими … и теоретическими схемами, которые необходимы для понимания живой природы. При втором пути решения данной проблемы структура биологического образования может быть развернута и на фоне межпредметной координации. «Однако и в этом случае систематическому курсу биологии должно предшествовать усвоение элементарных сведений по физике, химии, геологии, астрономии, математике (в составе интегрированных или систематических предметов, изучаемых до биологии или одновременно с ней)» [2, с. 35].
Перестройка курса биологии, по мнению одного из ведущих специалистов в области методики физики А.В. Усовой, приводит к необходимости перестройки содержания и структуры курсов физики и химии, а также изменения их места в учебном плане [9].
В настоящее время необходимо создать, если можно так сказать, естественную образовательную систему, которая отражала бы естественный ход развития материи вообще, в результате которого физическая форма движения материи породила химическую форму движения материи, а она, в свою очередь, - биологическую форму движения материи, в то время как существующие образовательные системы (концепции), в области биологии, в той или иной мере являются искусственными.
Реализация данной идеи становится особенно актуальной в современный период развития общества, так как решение многих насущных проблем в области естествознания требует интеграции знаний физики, химии и биологии. Подобная тенденция в науке неизбежно приведет к необходимости перестройки содержания и структуры всех естественных курсов, изучаемых в школе. Прогнозируя это, ряд исследователей ведут многолетнюю работу по внедрению «Новой концепции естественнонаучного образования», основанной на опережающем изучении курса физики (в 5 классе), разработанной А.В. Усовой [9]. Она была включена в план исследования РАО и поддержана грантами Министерства образования РФ. Концепция апробирована в школах г. Челябинска и области, а также за ее пределами. Проведенный педагогический эксперимент дал положительный результат. Реализация данной концепции в школьной практике убедительно свидетельствует, что усвоение учащимися фундаментальных естественнонаучных понятий, законов, теорий в 5–6 классах создает научный фундамент для изучения биологических систем разного уровня организации не только на эмпирическом уровне, но и теоретическом. При этом усваивается не только понятийный аппарат курсов физики и химии, но и методы и приемы, которые позволяют добывать научные знания об объектах и явлениях окружающего мира. Важнейшим из них является функциональный подход, применение и усвоение которого в курсах физики и химии позволит эффективно его использовать и углубить при изучении физиологических функций, понимать их сущность и управлять ими в практической деятельности.
Как уже было отмечено выше, кардинальное решение проблемы, связанной с переводом биологического образования на теоретический уровень, требует коренного пересмотра школьных учебных планов и опережающего изучения курсов физики и химии. Однако от учителя, в настоящее время, не зависит стратегическое решение этого вопроса, а единственным путем в достижении этой цели является изменение тактики. Это значит, что при изучении ботаники (раздела «Растения») учителю необходимо параллельно формировать физические и химические понятия, без которых невозможно заложить прочные биологические знания. Реализация этой задачи осложняется еще и тем, что формировать физические и химические понятия необходимо уже на первых уроках при общем знакомстве с цветковыми растениями.
Таким образом, даже самый общий анализ свидетельствует о слабом уровне преподавания физиологических тем в школьном курсе биологии. Это уже предрешено учебными планами по естественным дисциплинам, а также содержанием материала учебников по биологии 6 класса, что не позволяет на должном уровне заложить элементы теоретической биологии при изучении этой дисциплины, и в дальнейшем, сказывается отрицательно на формировании биологического мышления у школьников и студентов, в целом.
Изучение раздела «Растения» на теоретическом уровне возможно, но для этого необходимо решить ряд конкретных задач организационного, методологического и методического характера:
1. Пересмотреть содержание программ по курсу «Биология».
2. Принять единую логику для изучения структуры и функции.
3. При изучении всех разделов курса соблюдать принцип единства содержания и формы. Главенствующую роль отводить содержанию.
4. На первых уроках заложить основы таких физических и химических понятий, как: атом, молекула, химическая реакция, простое и сложное вещество, органическое и неорганическое вещество, энергия, процесс, воздух и т. д., без которых невозможно понять сущность физиологических процессов даже в самом общем виде. Для решения этой задачи, в ходе проведенного нами эксперимента, в авторскую программу для 6 классов была введена пропедевтическая тема: «Генетическая связь неживой и живой природы» [10, с. 20].
5. Постоянно определять место изучаемого процесса в общем обмене веществ, его взаимосвязь с другими процессами.
6. Учить применять физиологические знания на практике.
Для решения поставленных задач необходимо пересмотреть содержание и логику изложения практически всех глав первой части раздела «Растения», изучаемых в 6 классе. В качестве примера можно привести название и содержание первой главы в учебнике биологии, авторами которого является И.Н. Пономарёва с сотр. Она называется «Общее знакомство с растениями». Если принять логическую схему, которая предложена в данной главе в отношении изучения структуры растения (а она имеет научную основу), и приложить её к изучению физиологических процессов, то название и содержание первой главы явно нуждается в доработке. В этой главе учащиеся знакомятся с общим строением растений, их многообразием, распространением, охраной и т. д. Но давайте подумаем, какие задачи мы решаем, давая такой материал? Очевидно, что немногие и не самые важные. При таком содержании материала, в лучшем случае, систематизируются знания, полученные учащимися в обыденной жизни, в курсе природоведения, поэтому учитель вряд ли сможет доказать ученикам, что они приступили к изучению такого чрезвычайно важного организма, как растение. Человек настолько привыкает к растениям, что даже взрослым порой трудно доказать уникальность этих организмов. Иначе как можно объяснить варварское отношение взрослых людей к зеленому царству? Возможно, что именно на этих первых уроках мы не закладываем серьезного отношения не только к разделу «Растения» (ботанике), но и к биологии в целом, которое сохраняется и при изучении других разделов биологии.
Решить эту задачу можно в том случае, если с первых уроков заложить должные основы теоретической биологии, а для этого необходимо при изучении растительных объектов на разных уровнях организации показывать принцип сопряжения структуры и функции, отдавая предпочтение последней.
Опираясь на методологию системного подхода и учитывая требования Федерального государственного образовательного стандарта по биологии, раздел лучше назвать «Общая характеристика растительного организма как биологической (природной) системы». Такое название обязывает изучать структуру и функцию в тесной связи друг с другом. С общим строением растения учащиеся знакомы из курса природоведения. Следовательно, основной упор необходимо делать на изучение основных жизненных процессов растения – фотосинтеза и дыхания. Почему именно на эти процессы?
К.А. Тимирязев называл фотосинтез самым уникальным процессом на Земле. Поэтому и уникальность растительных организмов, их значение в природе и жизни человека можно донести, только познакомив учащихся с сущностью этого процесса. Это поможет ученикам и лучше осмыслить материал об охране растительного мира. При таком подходе значение растений вытекает не из общих фраз, а из уникальности процесса фотосинтеза, который присущ только данным организмам и определяет их глобальную роль в биосфере.
Второй процесс, который следует рассмотреть в данной теме – это дыхание. Хотя этот процесс и не является специфичным только для растений, тем не менее его роль трудно переоценить. Крылатая фраза – «без дыхания нет жизни» – говорит о многом. Являясь ключевым звеном процесса диссимиляции (катаболизма), дыхание обеспечивает любой организм энергетическим и пластическим материалом на протяжении всей его жизни. Следовательно, без ознакомления с этим процессом учащиеся не смогут понять, откуда черпает растение пластический (строительный) материал и энергию для построения своего тела.
При изучении процессов фотосинтеза и дыхания и установлении взаимосвязи (сопряжения) между ними на уровне целого растения, а затем на уровне клетки мы закладываем методологические основы для изучения всего курса биологии.
1. Формируем основополагающие понятия и законы теоретической биологии:
- даем общее представление об обмене веществ и энергии на организменном, клеточном и молекулярном уровнях;
- закладываем основы понятий «ассимиляция» («анаболизм») и «диссимиляция» («катаболизм»), на примере фотосинтеза и дыхания;
- показываем проявление закона сохранения и превращения вещества и энергии.
2. Знакомим с проявлением законов и категорий материалистической диалектики:
- единства и борьбы противоположностей (на примере сходства и различия (фотосинтеза и дыхания);
- перехода количества в качество (при рассмотрении вопроса об образовании органических веществ из неорганических).
3. Показываем взаимосвязь неживой и живой материи.
Поставив преподавание этих тем на научный уровень, мы вправе ожидать и серьезного отношения учащихся к изучению раздела «Растения».
Следует предостеречь, что реализовать высказанные идеи не просто. Однако это вполне возможно при продуманном подходе к делу.
Для оказания методической помощи учителю авторами настоящей статьи предпринята попытка разработать с позиций системного подхода серию логически связанных опорных моделей (схем), которые будут способствовать формированию и развитию таких важнейших физиологических понятий, как «фотосинтез» и «дыхание».
Представленная серия схем является дидактическим материалом к теме: «Общая характеристика растительного организма как биологической (природной) системы». Однако эти схемы могут использоваться и в последующих темах изучаемого курса. Следует подчеркнуть, что наибольший эффект можно ожидать в том случае, если они будут «создаваться» поэтапно учителем совместно с учениками, а не использоваться в готовом виде. Все предлагаемые схемы являются авторскими и, по-видимому, нуждаются в комментарии.
На рис. 1 представлена модель: «Значение растений в природе и жизни человека». При составлении этой схемы учитель опирается на знания учащихся, систематизирует их, при необходимости расширяет и в то же время формулирует проблему, какая особенность строения и жизнедеятельности растений позволяет им играть столь огромную роль в природе и жизни человека.
С помощью следующей модели (рис. 2) учитель ставит перед учащимися еще одну проблему, какие вещества являются основным строительным материалом растительного организма. Вторая проблема конкретизирует первую. Учащиеся обычно называют в качестве основного строительного материала растений воду и минеральные соли. Для корректировки их логического пути можно сделать опору на знания учеников из обыденной жизни и спросить, находит ли человек для своих практических нужд, в природе, «в готовом виде» строительный материал, например такой, как кирпич. Далее следует выделить исходные компоненты для производства кирпича (песок, глина) и подчеркнуть необходимость затраты энергии для его изготовления.
Рис. 1. Значение растений в природе и жизни человека
Рис. 2. Строительство в природе и жизни человека
Используя принцип аналогии, можно применить наработанную логическую схему поиска для ответа и на выше поставленную проблему. Решение её следует начать с рассмотрения растительного организма как целостной системы (рис. 3 А). Необходимо выделить основные элементы (органы), определить в целом их функции, показать взаимосвязь между ними и подчеркнуть особенности взаимодействия органов растений с внешней средой.
При решении поставленной проблемы учащиеся способны сами выявить исходные неорганические вещества (СО2 и Н2О) и энергию (солнечная), которые необходимы для образования в зеленом листе «строительного» материала (органических веществ). Это во многом обусловлено тем, что они в предыдущей теме («Генетическая связь неживой и живой природы») получили элементарные знания по физике и химии, опора на которые позволяет более глубоко разобраться (под руководством учителя) в сущности физиологических процессов, в том числе и фотосинтеза [10].
А
Б
Рис. 3. Преобразование вещества и энергии в процессе фотосинтеза (А) и дыхания (Б)
После рассмотрения фотосинтеза на уровне целого растения и написания его общего уравнения реакции следует «отработать» этот процесс на уровне отдельного органа - листа, а затем на схеме (рис. 3 А). Такой подход позволяет реализовать принцип от конкретно-образного к абстрактному и направлен на формирование научно-теоретического мышления учащихся. Следует обратить особое внимание на схему, отображающую процесс фотосинтеза. В ней показано, что в основе данного процесса лежат два важнейших превращения – это превращение вещества и превращение энергии. Дугообразная стрелка показывает суть и уникальность превращения вещества – из неорганических веществ СО2 и Н2О создается новый класс веществ – органических (С6Н12О6), которые, наряду с другими, являются строительным материалом для растения. Прямая стрелка отображает превращение внешней неустойчивой энергии квантов света во внутреннюю устойчивую энергию химических связей органических веществ, которая может долго «храниться» и постепенно использоваться.
При рассмотрении фотосинтеза следует заострить внимание учащихся на том, что данный процесс является прерывистым во времени. Он не протекает ночью, в зимний период и т.д., а энергия и пластический материал растению необходимы всегда. Это послужит основой для создания новой проблемной ситуации и позволит логично перейти к изучению другого важнейшего физиологического процесса, который тесно связан с фотосинтезом, - дыханию.
Опираясь на содержание рисунка 3 А, можно поставить вопрос, что является источником энергетического и пластического материала для растения в том случае, когда фотосинтез не протекает. Если она вызовет затруднение, то можно, используя принцип аналогии, задать вопрос, решение которого позволит учащимся найти подход к выполнению предыдущего задания. Например, для какой цели человек делает запасы строительного материала, и в частности кирпича? Решение предыдущей проблемы позволит учителю логично сформулировать очередной вопрос, могут ли запасенные в процессе фотосинтеза органические вещества, которые находятся в устойчивой форме, непосредственно (сразу же) использоваться как пластический и энергетический материал для роста и развития растения. При обсуждении этой проблемы учеников необходимо подвести к мысли о том, что для преобразования сложных органических веществ в более «простые» органические вещества и для перевода устойчивой энергии химических связей органических веществ в лабильную энергию макроэргических связей АТР необходим определенный физиологический процесс. Таким процессом является дыхание.
В основе дыхания, как и фотосинтеза, лежат явления преобразования вещества и энергии. Суть этих превращений отображена на рис. 3 Б. Используя общее уравнение, дыхания – С6Н12О6 + 6О2 → 6СО2 + 6Н2О + Е – при объяснении сути данного процесса, учителя (и даже авторы школьных учебников) очень часто допускают грубую ошибку, считая, что весь исходный дыхательный субстрат (органические вещества) полностью распадается до неорганических – углекислого газа и воды. На самом же деле промежуточные продукты процесса дыхания (в первую очередь органические кислоты) могут использоваться на синтез белков, липидов, углеводов и других важнейших органических соединений. Следовательно, дыхание является не только источником энергии, но и пластического материала (промежуточных метаболитов) для других обменных процессов. В целях исключения вышеупомянутой ошибки на первых уроках при объяснении дыхания лучше использовать схему, изображенную на рис. 3 Б, а не общее уравнение реакции, отражающее данный процесс.
Очень часто фотосинтез и дыхание противопоставляют друг другу. Основанием для этого является обратная направленность некоторых реакций этих процессов. Однако в действительности между ними гораздо больше сходства, чем различий. Следует особо отметить, что оба эти процесса тесно сопряжены и являются важнейшими звеньями углеводного обмена, который постоянно обеспечивает растительный организм энергетическим и пластическим материалом на протяжении всей его жизни. Взаимосвязь фотосинтеза и дыхания отображена на рис. 4.
Рис. 4. Преобразование вещества и энергии в процессах фотосинтеза и дыхания
Выявление сущности фотосинтеза и дыхания позволяет вернуться к исходной проблеме: почему растительные организмы играют столь огромную роль в природе и жизни человека. Для этого учащиеся должны заполнить на рис. 1 три пустых прямоугольника: в верхнем – О2, в среднем – С6Н12О6, в нижнем – растительные сообщества.
После выявления роли фотосинтеза для самого растения необходимо показать его значимость в глобальном масштабе для всего живого. Являясь продуцентами, растения занимают центральное место в биогеоценозах, обеспечивая пищей все другие организмы и их многообразие (рис. 5).
Рис. 5. Растения – основной компонент биоценозов
Таким образом, приведенные теоретические рассуждения, а также их экспериментальная проверка на практике дают основание заключить, что изучение физиологических процессов фотосинтеза и дыхания на молекулярном уровне в разделе «Растения» школьного курса биологии позволит выявить не только на уровне явлений, но понять, в самом общем виде, и их сущность; развить такие фундаментальные понятия, как «вещество» и «энергия», которые являются основополагающими не только для курсов физики, химии и биологии, но и естествознания в целом. Фотосинтез и дыхание являются звеньями единого углеводного обмена растительной клетки, который, в свою очередь, с точки зрения превращения вещества и энергии, играет ключевую роль в общем обмене веществ растительного организма.
Выявление общих закономерностей, которые лежат в основе превращения вещества и энергии, и их использование при изучении фотосинтеза и дыхания приведет к тому, что они станут и общими законами мышления учащихся, то есть научной методологией познания окружающего мира. При этом конкретизируется сущность категории сопряжения, которая усваивается учащимися и студентами и становится эффективным методом их познавательной деятельности не только при изучении курса биологи, но и естествознания в целом.