Муниципальный смотр-конкурс методических и дидактических средств обучения – 2016

Управление общего и профессионального образования

администрации Чайковского муниципального района Пермского края

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа № 10»

Новый образовательный центр

Категория «Методические разработки (пособия)»

Номинация «Метапредметная деятельность в общем образовании»

МЕТОДИЧЕСКОЕ ПОСОБИЕ ЗАНЯТИЙ

«ОРГАНИЗАЦИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

ПО ПРЕДМЕТАМ ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНОГО ЦИКЛА

С ПОМОЩЬЮ ЦИФРОВОЙ ЛАБОРАТОРИИ AFS^TM

КАК СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МЕТАПРЕДМЕТНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ОБУЧАЮЩИХСЯ СТАРШИХ КЛАССОВ»

Авторы:

Манжулей Любовь Григорьевна, учитель физики высшей квалификационной категории МАОУ СОШ № 10 (НОЦ)

Пархоменко Надежда Степановна, учитель биологии высшей квалификационной категории МАОУ СОШ № 10 (НОЦ)

г. Чайковский, 2016.
Пояснительная записка

Актуальность и новизна представленных материалов, целевой блок

Образовательная деятельность Нового образовательного центра изначально проектируется как открытое пространство выбора, самоопределения и самореализации обучающихся, интегрирующее различные образовательные практики, адекватное возрастным особенностям старшеклассников и направленное на достижение социально и личностно-значимых результатов. Наряду с другими образовательными практиками, приоритетной является исследовательская деятельность обучающихся.

На наш взгляд, исследовательская деятельность – универсальный вид деятельности, позволяющий формировать метапредметные образовательные результаты. Именно здесь старшеклассник сам становится основным субъектом своего образования, образования себя, создания образовательных продуктов, как внутренних, так и внешних. Целью образования для старшеклассника становится даже не освоение учебной деятельности как таковой, а именно генерация, продуцирование образовательного результата, имеющего ценность не только для него самого, но и для окружающего социума. Ведь в метапредметном подходе к обучению самореализация человека необходима ради его продуктивных результатов, сначала образовательных, потом и не только.

Именно это стало целью нашей деятельности – проектирование образования старшеклассника с позиций выявления и реализации его потенциала через организацию исследовательской деятельности старшеклассников.

В результате старшеклассник достигает следующих метапредметных результатов:

Важно, что исследовательская деятельность позволяет школьнику достигать результатов через образовательную самостоятельность, образовательную инициативу, образовательную ответственность.

И самым главным результатом становится образование старшеклассником себя самого, создание собственных образовательных продуктов, полезных не только ему, но и обществу.

За последние два года нам, как учителям естественно-научных дисциплин, удалось придать данной деятельности некоторую новизну. Связано это с использованием цифровых лабораторий AFS^TM, или ЛЭК – лабораторных экспериментальных комплексов, которыми оснащены кабинеты биологии, химии и физики (фото 1). Они являются одними из самых современных информационных источников, способных обеспечить достижение обучающимися высоких результатов. Освоение подобных источников развивает информационные и экспериментальные навыки. Любая лабораторная работа, урок или индивидуальное занятие с использованием ЛЭК позволяет конструировать, устанавливать причинно-следственные связи, перейти от методов, воспроизводящих явление, к исследовательским методам изучения процессов, развивает логику, способствует профессиональному самоопределению и др.

Описание опыта работы с использованием методического пособия и методика использования предложенных материалов

Второй год в своей деятельности мы применяем программное обеспечение LabQuest Application, устройство измерения и обработки данных (УИОД) LabQuest Vernier и ряд цифровых датчиков.

Представленный ЛЭК применяется:

• На уроках физики и биологии при изучении новой темы, на повторительно-обобщающих уроках, в ходе проведения лабораторных работ;
• В рамках дополнительных занятий с обучающимися 10-11 классов при написании учебно-исследовательских работ;
• На консультациях по подготовке к Единому государственному экзамену.

Результаты работы обобщены и оформлены в пособие занятий.

В представленном пособии раскрываются возможности использования УИОД и датчика содержания кислорода. Представленные лабораторные работы разработаны авторами на основе методических рекомендаций к использованию ЛЭК, успешно апробированы в НОЦ.

В пособие вошли следующие материалы:

1. Авторские методические разработки лабораторных работ:

• «Изучение каталитической активности каталазы в живых и вареных тканях» (Приложение №1);
• «Изучение влияния спектрального состава света на интенсивность фотосинтеза по количеству выделившегося кислорода»  (Приложение № 2);
• «Изучение влияния интенсивности освещения на интенсивность фотосинтеза по количеству выделившегося кислорода» (Приложение № 3);
• «Изучение влияния температуры на интенсивность дыхания холоднокровных животных нам примере майских жуков» (Приложение № 4);
• «Сравнение интенсивности дыхания теплокровных и холоднокровных животных»   (Приложение №5);                                                                                                              
• «Изучение дыхания проросших и не проросших семян на примере фасоли и пшеницы» (Приложение №6);                                                                                                               

2. Бланки с отчетами по выполнению лабораторных работ (Приложение № 7) и фотоотчеты, демонстрирующие этапы проведения экспериментов (Приложение №8);

3. Исследовательские работы учащихся, выполненные с помощью AFS™ и датчика содержания кислорода (Приложение № 9,10), а также презентации, сопровождающие публичную защиту данных работ (Приложение № 11,12).

4. Перечень тем исследовательских работ с использованием датчика кислорода (Приложение №13).

5. Подборка тренировочных заданий для подготовки к ЕГЭ по заявленным темам (Приложение №14).

6. Сборник тезисов исследовательских работ учащихся Нового образовательного центра за 2015 год (Приложение №15).

Устройство измерения и обработки данных LabQuest - это специализированное портативное электронно-вычислительное устройство, обладающее широкими функциональными возможностями. Предназначено для непосредственной автоматической цифровой обработки сигналов в режиме реального времени.

Устройство позволяет осуществлять операции аналогового и цифрового ввода-вывода сигналов с различных измерительных устройств (датчиков) и обмен данными с внешними устройствами. LabQuest может использоваться автономно (без подключения к ПК) или как интерфейс для ПК. Используя  программно-аппаратный комплекс,  учащиеся работают с информацией в разных видах ее отображения: график, таблица, цифровые данные. Лабораторные работы, проведенные с помощью цифровых датчиков, позволяют получить экспериментальные подтверждения теоретических основ биологии. При этом, результаты  автоматизированы, освобождается время для обработки и анализа экспериментальных данных.

Методика работы с представленным ЛЭК следующая:

Деятельность обучающихся строится по принципу лабораторных работ. Учителем определяется тематика работы. Обучающиеся получают карточку с техническим заданием, в которой описан порядок работы с ЛЭК, представлены общие сведения по теме лабораторной работы, бланк для написания отчета и вопросы для обсуждения. Пример такой карточки можно посмотреть в лабораторной работе «Изучение каталитической активности каталазы в живых и вареных тканях» (Приложение № 1).

Приведенные в данном пособии лабораторные работы можно отнести к мини-исследованиям, так как при проведении работы и заполнении бланка отчета обучающиеся проходят все этапы исследования: от формулирования проблемы до представления результатов. Проблема исследования (вопрос, на который необходимо ответить в ходе эксперимента), определяется старшеклассниками самостоятельно. Далее следует постановка цели, задач, определение объекта и предмета изучения, непосредственно сам эксперимент, обработка полученных результатов. В бланке отчета представлена схема исследования, таблица, в которую необходимо занести показатели датчиков, формулы, необходимые для вычислений. На основании полученных данных обучающимся предлагается построить графики зависимости скорости выделения кислорода от условий протекания данных реакций. С этой целью можно воспользоваться данными, извлеченными из УИОД. Вопросы, сформулированные в бланке отчета, помогают обучающимся сделать выводы по проведенному мини-исследованию. После выполнения лабораторных работ старшеклассникам предлагаются тематические КИМы для подготовке к ЕГЭ. Пример тематического КИМ «Белки. Ферменты» смотрите в Приложении № 14.

Так как данная деятельность чаще всего ограничена рамками урока, целесообразно организовывать работу обучающихся по группам с разными материалами для изучения. А потом полученные в каждой группе данные фиксировать в общей таблице. (Приложение № 8).

Использование ЛЭК позволяет интегрировать биологию, физику, химию для формирования метапредметных результатов. Один из примеров такой интеграции, когда при вычислении скорости протекания реакции обучающиеся изучают на уроках физики, а затем используют уравнение идеального газа.

Возможности ЛЭК были использованы при написании учебно-исследовательских работ обучающихся. (Приложения № 9, 10).

Заключение

Применение ЛЭК в своей деятельности позволяет сделать выводы о целесообразности их использования, эффективности и результативности.

Во-первых, реализуется деятельностный и научный подходы в образовании;

Во-вторых, ЛЭК помогают вызвать интерес к изучению предмета у обучающихся;

В-третьих, ЛЭК помогает педагогу индивидуализировать процесс обучения через собственное целеполагание учащимися, планирование деятельности, рефлексию полученного результата;

В-четвертых, эта деятельность способствует формированию целого комплекса предметных, метапредметных и личностных результатов у обучающихся.

Данные выводы подтверждаются количественными показателями. За последнее время наблюдается рост качества обучения биологии в профильных группах.

Таблица 1. Успеваемость и качество обучения по предмету

Учебно-исследовательские работы в данном направлении на сегодняшний день оказываются востребованными на разных уровнях.

Таблица 2. Результативность участия в конкурсах и конференциях УИР

Данная деятельность способствует также эффективной подготовке к олимпиаде по экологии, что подтверждают данные таблицы 3.

Таблица 3. Результативность участия в олимпиаде по экологии

Опыт по использованию в своей деятельности Лабораторно-экспериментальных комплексов возможно транслировать. Данные методические разработки были апробированы в образовательном учреждении, педагоги увидели перспективу использования данной лаборатории в своем предмете. В школе сформировалась команда творческих учителей естественнонаучного цикла, активно использующих современное оборудование.

Представленный опыт был продемонстрирован для педагогов южного куста Пермского края в рамках работы Краевой стажировочной площадки, где авторами материалов были проведены несколько мастер-классов. Выполненные обучающимися исследовательские работы высоко ценятся на уровне муниципалитета, края, России не только в секциях «Биологии и экологии», но и в секциях «Химии», «Физики». Данная деятельность также была отмечена Благодарственным письмом ГБУ ДПО «Институт развития образования Пермского края» (2014).

Представленный материал будет интересен и актуален среди педагогов, культивирующих современные приемы и методы в своей деятельности. В поисках эффективных методов работы каждый учитель выбирает свой путь, который позволил бы повысить интерес к предмету, получить высокие результаты обучения. Использование программно-аппаратного комплекса AFS^TM позволяет «оживить» само содержание предмета, усилить его экспериментальную составляющую.

Лабораторный экспериментальный комплекс имеет широкие возможности. На сегодняшний день нами в полном объеме освоена работа с датчиками измерения кислорода. В перспективе будут осваиваться и другие возможности ЛЭК, в частности работа с другими датчиками.

Представленные результаты мониторинга

эффективности использования материалов верны                            Дерюшева В. Н., директор

МАОУ СОШ № 10

Рекомендации по использованию пособия

В представленном пособии раскрываются возможности использования УИОД  (устройство  измерения и обработки данных) и датчика содержания кислорода (Фото 1, 2): на уроках при проведении лабораторных работ, во внеклассной работе при написании учебно-исследовательских работ; при подготовке к ЕГЭ. Представленные лабораторные работы разработаны авторами на основе методических рекомендаций к использованию ЛЭК, успешно апробированы в НОЦ.

В пособие вошли следующие материалы:

1. Авторские методические разработки лабораторных работ:

• «Изучение каталитической активности каталазы в живых и вареных тканях» (Приложение №1);
• «Изучение влияния спектрального состава света на интенсивность фотосинтеза по количеству выделившегося кислорода»  (Приложение № 2);
• «Изучение влияния интенсивности освещения на интенсивность фотосинтеза по количеству выделившегося кислорода» (Приложение № 3);
• «Изучение влияния температуры на интенсивность дыхания холоднокровных животных нам примере майских жуков» (Приложение № 4);
• «Сравнение интенсивности дыхания теплокровных и холоднокровных животных»   (Приложение №5);                                                                                                              
• «Изучение дыхания проросших и не проросших семян на примере фасоли и пшеницы» (Приложение №6);                                                                                                               

2. Бланки с отчетами по выполнению лабораторных работ (Приложение № 7) и фотоотчеты, демонстрирующие этапы проведения экспериментов (Приложение №8);

3. Исследовательские работы учащихся, выполненные с помощью AFS™ и датчика содержания кислорода (Приложение № 9, 10), а также презентации, сопровождающие публичную защиту данных работ (Приложение № 11,12).

4. Перечень тем исследовательских работ с использованием датчика кислорода (Приложение №13).

5. Подборка тренировочных заданий для подготовки к ЕГЭ по заявленным темам (Приложение №14).

6. Сборник тезисов исследовательских работ учащихся Нового образовательного центра за 2015 год (Приложение №15).

В 10 классе при изучении на уроках химии и биологии темы «Белки» была проведена лабораторная работа «Изучение каталитической активности каталазы в живых и вареных тканях». (Приложение №1). Данная работа посвящена изучению свойств одного из белков-ферментов - каталазы, а также определению факторов, влияющих на ее ферментативную активность. Фермент каталаза катализирует расщепление пероксида водорода (Н₂О₂) с образованием молекул воды и кислорода. Концентрация каталазы измерялась по скорости разложения пероксида водорода и по количеству кислорода, выделяемого в этой реакции. Количество кислорода определяли с помощью УИОД LabQuest Vernier  и датчика содержания O_2.

При выполнении лабораторной работы учащиеся используют инструктивную карточку, в которой описан порядок работы с датчиком, общие сведения о ферментах, предложен бланк для выполнения отчета и вопросы для обсуждения (Приложение №1).

Приведенные в пособии лабораторные работы можно отнести к мини – исследованиям, так как при заполнении бланка отчета учащиеся еще раз повторяют алгоритм выполнения исследовательской работы и отрабатывают исследовательские навыки.  Учащиеся самостоятельно определяют проблему исследования (вопрос, на который надо ответить в ходе эксперимента), определяют цель  работы (глагольное существительное), планируют деятельность по достижению цели - задачи (глаголы неопределенной формы).  При определении объекта изучения учащиеся вспоминают, что это предмет или явление, на которое направлено исследование, а предмет изучения - сторона, свойство объекта.

В бланке представлена схема исследования, таблица, которую необходимо занести показатели датчиков, формулы, по которым учащиеся вычисляют скорости протекания реакций. Учащимся предлагается на основании полученных данных и построить графики зависимости скорости выделения кислорода от условий протекания данных реакций. Для этого можно воспользоваться графиками, излеченными из УИОД.

  В бланке приведены вопросы, ответив на которые учащиеся смогут сделать выводы по проведенным мини-исследованиям.

  После выполнения лабораторной работы учащимся предлагаются вопросы и тематические КИМы по теме «Белки. Ферменты», предназначенные для подготовки к ЕГЭ и отработки данной темы (Приложение №14).

Из-за ограниченности времени рамками урока целесообразно проводить работу в группах с разными образцами растительных и животных тканей. Данные каждой группы заносятся в общую таблицу (Приложение № 8, фото 3-6).

На уроках физики учащиеся изучают уравнение идеального газа, которое можно воспользоваться при вычислении скорости протеканий реакции. На основании полученных величин составляется ряд активности ферментов, учащиеся делаются выводы о количестве ферментов в разных образцах тканей, выявляются факторы, влияющие на работу этих белков. Таким образом, использование ЛЭК позволили интегрировать биологию, химию и физику для получения метапредметных результатов. 

         Уравнение состояния идеального газа p*V_M=R*T . Преобразуя данную формулу, получили итоговую, по которой и производили вычисления количества выделившегося кислорода. Ниже представлены произведенные  учащимися преобразования:

p*V_M=R*T  ,где:

p-давление,

V_M- молярный объем,

R- универсальная газовая постоянная, численно равная 8.31 Дж/(моль*К)

T - абсолютная температура, К

Рассчитаем скорость выделения O₂ по формуле:

U_{рср =}

n_I(воз)=

m_I(воз)=n_I(воз)/M_воз=

m_I(O₂)=m(воз)* ω₁=

n₁(O₂)= m(O₂)/M(O₂)=

m(воз-O₂)=m(воз)-m(O₂)==

m_II(воз)= m(воз-O₂)/(1- ω₂)=

m_II(O₂)= m_II(воз)* ω₂=

n_II(O₂)= m_II(O₂)/M(O₂)=

U_{р. ср.}= *=

Где t-время реакции,

n_I- количество вещества в начале реакции,

n_II- количество вещества по завершении реакции,

M_воз - молярная масса воздуха, численно равная 29 г/моль

M(O₂)-молярная масса кислорода, численно равная 32 г/моль

V-объем воздуха в колбе, численно равный 0,25 л

ω₁- массовая доля кислорода в воздухе в начале реакции,

ω₂- массовая доля кислорода в воздухе в конце реакции,

V_M- молярный объем, численно равный 24,06 л/моль (расчеты выше)

m- масса вещества или смеси веществ

 U_{р. ср.}=0.000026*((w₂-w₁)/(1-w₂))

         Особую сложность вызывает у старшеклассников изучение такой темы как «Фотосинтез» - одна из ключевых тем в биологии, так как процессы, происходящие в листьях растений, визуально невидимы, поэтому их трудно представить. Именно фотосинтез составляет основу энергообмена всей биосферы, поэтому интересен для изучения на и уроках физики. Интенсивность фотосинтеза зависит от многих факторов: температуры окружающей среды,  интенсивности освещения, содержания углекислого газа в воздухе.

         Представленная лабораторная работа «Изучение влияния спектрального состава света на интенсивность фотосинтеза по количеству выделившегося кислорода»  (Приложение №2, Приложение № 5 фото 7) изучает влияние красных, синих и зеленых лучей видимой части светового спектра на активность процессов фотосинтеза, а именно на количество выделившегося при этом кислорода.  Учащиеся узнают, что растения не реагируют на ультрафиолетовые (коротковолновые) и инфракрасные (длинноволновые) лучи, а используют видимую часть солнечного спектра, при котором происходит фотосинтез. Поскольку выделение кислорода начинается не сразу, то возможно на уроке продемонстрировать результаты заранее подготовленного эксперимента или организовать работу в группах с использованием каждой группой одного из предложенных светодиодов.

         Данные заносятся в таблицу «Бланка отчета», по полученным результатам строится график зависимости количества выделившегося кислорода от длины волны солнечного спектра.  Здесь учащимся понадобятся знания, полученные на физике и химии о спектральном анализе видимой части солнечного спектра, его влиянии на хлорофилл растений.

         Для обработки полученных результатов используется уравнение расчета скорости протекания реакций по количеству кислорода до и после проведения эксперимента (Приложение №2).

         Аналогично проводится лабораторная работа «Изучение влияния интенсивности освещения на скорость фотосинтеза по количеству выделившегося кислорода» (Приложение №3). Данная работа демонстрирует влияние на фотосинтетическую активность растений не только спектрального состава света, но и интенсивность освещения. Для этого используем настольные лампы разной мощностью: 40 Вт, 60 Вт, 100 Вт.

         Результаты, полученные только при естественном освещении, помогут учащимся сделать выводы о сбалансированности процессов дыхания и фотосинтеза у растений.

         Проверить и закрепить свои знания по теме «Фотосинтез» учащиеся могут, ответив на вопросы и решив тематические тесты (Приложение № 14).

         Следующая лабораторная работа посвящена изучению дыхания — общего свойства всех живых организмов - «Изучение дыхания проросших и не проросших семян на примере фасоли и пшеницы» (Приложение №6, фото 8, 9).

         Клеточное дыхание относится к процессу преобразования химической энергии органических молекул в непосредственно потребляемую организмами форму. Глюкоза может полностью окисляться, если доступно достаточное количество кислорода. В зеленых частях растений обнаружить процесс дыхания сложно, поскольку на свету активно осуществляется процесс фотосинтеза — образование из углекислого газа и воды органических веществ. Демонстрация этого процесса становится возможным, используя датчик содержания кислорода.  Изменение содержания кислорода наблюдали на семенах фасоли и пшеницы. Для этого изучалось дыхание у не проросших (сухих), набухших и проросших семенах. Кроме этого учащимся предлагается изучить зависимость между размерами семян, температурой прорастания и скоростью дыхания.

         Возможно изучение дыхания и на примере животных: «Изучение влияния температуры на интенсивность дыхания холоднокровных животных на примере майских жуков» (Приложение №4)  и «Сравнение интенсивности дыхания теплокровных и холоднокровных животных » (Приложение №5). Данные работы раскрывают взаимосвязь интенсивности дыхания и интенсивности обмена веществ у холоднокровных (лягушки, майские жуки) и теплокровных  организмов (хомячки, мыши).

Возможности ЛЭК были использованы и при написании учебно-исследовательских работ (Приложения № 9,10).  Так, например, при написании одной из работ, мы предположили, что в листьях растений, растущих у дороги к осени накопится большое количество токсичных веществ выхлопных газов, которые приведут к разрушению ферментов листьев, и как следствие, к снижению активности каталазы.  Проверке данной гипотезы посвящена работа «Активность фермента каталазы в листьях деревьев как биондикационный показатель загрязнения окружающей среды».  В ходе исследования было выявлено, что скорость выделения кислорода снижается в листьях деревьях, растущих на улицах с высокой автотранспортной нагрузкой.  

Таким образом,  активность каталазы в тканях организмов  может служить показателем степени загрязнения окружающей среды.  Полученные в ходе исследования данные можно использовать для характеристики стрессоустойчивости деревьев к городским условиям с разным уровнем автотранспортной нагрузки и рекомендовать их для использования в озеленении улиц города и пришкольного участка (Приложение №9).

Продуктами апробации ЛЭК в образовательном учреждении стало создание и выпуск электронного и печатного сборника учебно-исследовательских работ учащихся НОЦ.  (Приложение№15, фото 10, 11). В него вошли не только работы учащихся, использовавших в исследовании лабораторный комплекс. Здесь представлены как исследования победителей краевых и Всероссийских конкурсов и олимпиад, так и работы начинающих исследователей. Сборник - копилка достижений, часть электронного Портфолио учащихся и их руководителей. Ценность сборника заключается в том, что его материалы можно использовать как справочный и демонстрационный материал на уроках и занятиях элективных курсов.  Начинающие исследователи могут познакомиться с примерной тематикой и направлениями исследований, с алгоритмом и этапами выполнения исследований, с правильной постановкой и формулировкой целей и задач, гипотез и выводов. Возможно заочное знакомство с преподавателями по фотографиям сборника, сопровождающим учащихся в исследовательской деятельности. Это очень действенное средство в формировании мотива к учебному исследованию, как отмечают старшеклассники.

Существует бумажные и электронные варианты сборника.

Сборник выпускается 2 раза в год и пополняет методическую базу медиатеки НОЦ.   На сегодняшний день количество выпусков достигло 10.  Понимая востребованность этих материалов, авторы готовы распространять сборник среди школ города и НОЦ Пермского края.

Фотоматериалы

Фото 1. Цифровая лаборатория AFS^TM, или ЛЭК – лабораторный экспериментальный комплекс

Фото 2. Устройство измерения и обработки данных (УИОД) LabQuest Vernier и датчик измерения кислорода

Фото 3. Графики, иллюстрирующие изменение содержания кислорода, сделанные с помощью устройства измерения и обработки данных (УИОД)

Фото 4. Бланк отчета при выполнении лабораторной работы

Фото 5. Визуальное выделение кислорода в пробах с мясом

Фото 6. Расчет скорости выделения кислорода

Фото 7. Использование светодиодов разного цвета при изучении фотосинтеза

Фото 8. Изучение дыхания у проросших и не проросших семян

Фото 9. Бланк отчета лабораторной работы по изучению интенсивности дыхания

Фото 10. Сборник тезисов конференции учебно-исследовательских работ обучающихся НОЦ

Фото 11. Страницы из сборника тезисов конференции учебно-исследовательских работ обучающихся НОЦ