Метод - это путь исследования, который проходит учёный, решая какую-либо научную задачу, проблему.

Научный метод - это совокупность приёмов и операций, используемых при построении системы научных знаний.

Методы, универсальные для всех биологических наук: описательный, сравнительный, исторический и экспериментальный .

• Описательный метод. В основе его лежит наблюдение. Он широко применялся еще учёными древности, занимавшихся сбором фактического материала и его описанием(изучение и описание животных и растений), а также применяется в настоящее время (например, при открытии новых видов).

Наблюдение - метод, с помощью которого исследователь собирает информацию об объекте (восприятие природных объектов с помощью органов чувств).

Пример:

Наблюдать можно визуально, например, за поведением животных. Можно наблюдать с помощью приборов за изменениями, происходящими в живых объектах: например, при снятии кардиограммы в течение суток, при замерах веса телёнка в течение месяца. Наблюдать можно за сезонными изменениями в природе, за линькой животных и т.д. Выводы, сделанные наблюдателем, проверяются либо повторными наблюдениями, либо экспериментально.

• Сравнительный метод стал применяться в XVII в. Он позволяет выявлять сходства и различия между организмами и их частями (систематизация растений и животных, разработка клеточной теории). В наше время сравнительный метод также широко применяется в различных биологических науках.
• Исторический метод - установление взаимосвязей между фактами, процессами, явлениями, происходившими на протяжении исторически длительного времени (несколько миллиардов лет). Этот метод помогает осмыслить полученные факты, сопоставить их с ранее известными результатами. Этот метод стал широко применяться во второй половине XIX века (обоснование теории эволюции Ч. Дарвина ). Применение исторического метода позволило превратить биологию из науки описательной в науку, объясняющую как произошли и как функционируют многообразные живые системы.
• Экспериментальный метод - это получение новых знаний (изучение явления) с помощью поставленного опыта.

Эксперимент - метод исследования в биологии, при котором экспериментатор сознательно изменяет условия и наблюдает, как они влияют на живые организмы. Эксперимент можно проводить как в лаборатории, так и на открытом воздухе.

Экспериментальный метод начал применять в своих исследованиях при изучении кровообращения Уильям Гарвей (1578-1657г.) , а широко использоваться в биологии (при изучении физиологических процессов) он начал с XIX в. Г. Мендель, изучая наследственность и изменчивость организмов, впервые применил эксперимент не только для получения данных об изучаемых явлениях, но и для проверки гипотезы, формулируемой на основании получаемых результатов.
В XX в., благодаря появлению новых приборов для биологических исследований (электронный микроскоп, томограф, и др.), экспериментальный метод стал ведущим в биологии. Моделирование , которое считают высшей формой эксперимента, также применяют в современной биологии (ведутся активные работы по компьютерному моделированию важнейших биологических процессов, основных направлений эволюции, развития экосистем и всей биосферы).

Биология делится на множество частных наук, изучающих различные биологические объекты: биология растений и животных, физиология растений, морфология, генетика, систематика, селекция, микология, гельминтология и множество других наук. Поэтому наряду с общебиологическими методами, выделяют методы, которые используются частными биологическими науками:

• генетика - генеалогический метод изучения родословных,
• селекция - метод гибридизации,
• гистология - метод культуры тканей и т.д.

Научный факт - это форма научного знания, в которой фиксируется некоторое конкретное явление, событие; результат наблюдений и экспериментов, который устанавливает количественные и качественные характеристики объектов.

Когда мы говорим о биологии, мы говорим о науке, которая занимается исследованием всего живого. Все живые существа, включая ареал их обитания, изучаются. Начиная от строения клеток и заканчивая сложными биологическими процессами, все это является предметом биологии. Рассмотрим методы исследования в биологии , которые на данный момент используются.

Методы биологических исследований включают в себя:

• Эмпирические/экспериментальные методы
• Описательные методы
• Сравнительные методы
• Статистические методы
• Моделирование
• Исторические методы

Эмпирические методы заключаются в том, что объект опыта подвергается изменению условий его существования, а потом, учитываются полученные результаты. Эксперименты бывают двух видов в зависимости от их места проведения: лабораторные эксперименты и полевые эксперименты. Для проведения полевых экспериментов используются естественные условия, а для проведения лабораторных экспериментов, используется специальное лабораторное оборудование.

Описательные методы основываются на наблюдение, с последующим анализом и описанием феномена. Этот метод позволяет выделить особенности биологических явлений и систем. Это один из самых древних методов.

Сравнительные методы подразумевают сравнение полученных фактов и явлений с другими фактами и явлениями. Сведения получаются путем наблюдения. В последнее время стало популярно применять мониторинг. Мониторинг это постоянное наблюдение, которое позволяет собрать данные, на основе которых будет проводиться анализ, а потом прогнозирование.

Статистические методы также известны под названием математические методы, и используются для того, чтобы обработать данные числового характера, которые были получены в ходе эксперимента. Кроме этого, данный метод применяется для того, чтобы убедиться в достоверности определенных данных.

Моделирование это метод, который в последнее время принимает большие обороты и подразумевает работать с объектами путем представления их в моделях. То, что нельзя анализировать и изучать впоследствии эксперимента, то можно узнать путем моделирования. Частично используется не только обычное моделирование, а также математическое моделирование.

Исторические методы основываются на изучение предыдущих фактов, и позволяют определить существующие закономерности. Но так как не всегда один метод оказывается достаточно эффективным, принято эти методы совмещать для получения лучших результатов.

Вот мы и рассмотрели основные методы исследований в биологии. Очень надеемся, что данная статья была для вас интересной и познавательный. Свои вопросы и замечания обязательно пишите в комментариях.

Биология заботится обо всех живых существах и, особенно о человеке, а Урсосан (http://www.ursosan.ru/)заботится о его печени. Урсосан поможет в лечении

Краткое описание:

Сазонов В.Ф. Современные методы исследований в биологии [Электронный ресурс] // Кинезиолог, 2009-2018: [сайт]. Дата обновления: 22.02.2018..__.201_). Материалы по современным методам исследований в биологии, её разделах и смежных дисциплинах.

Материалы по современным методам исследований в биологии, её разделах и смежных дисциплинах

Рисунок : Основные ветви биологии.

В настоящее время биология условно разделяется на две большие группы наук.

Биология организмов : науки о растениях (ботаника), животных (зоология), грибах (микология), микроорганизмах (микробиология). Эти науки изучают отдельные группы живых организмов, их внутреннее и внешнее строение, образ жизни, размножение и развитие.

Общая биология : молекулярный уровень (молекулярная биология, биохимия и молекулярная генетика), клеточный (цитология), тканевой (гистология), органы и их системы (физиология, морфология и анатомия), популяции и природные сообщества (экология). Иными словами, общая биология изучает жизнь на различных уровнях.

Биология тесно связана с другими естественными науками. Так, на стыке между биологией и химией появились биохимия и молекулярная биология, между биологией и физикой – биофизика, между биологией и астрономией – космическая биология. Экология, находящаяся на стыке биологии и географии, в настоящее время часто рассматривается как самостоятельная наука.

Задачи студентов по учебному курсу Современные методы биологических исследований

1. Ознакомление с разнообразными методами исследований в различных областях биологии.

Решение и отчётность:
1) Написание обзорного учебного реферата по методам исследования в различных областях биологии. Минимальные требования к содержанию реферата: описание 5 методов исследования по 1-2 страницы (шрифт 14, интервал 1,5, поля 3-2-2-2 см) на каждый метод.
2) Предоставление доклада (желательно в виде презентации) по одному из современных методов биологии: объём 5±1 страница.
Ожидаемые результаты обучения:
1) Поверхностное знакомство с широким набором методов исследований в биологии.
2) Углубленное понимание одного из методов исследования и передача этого своего знания студенческой группе.

2. Проведение обучающего учебно-научного исследования от постановки цели до выводов с применением необходимых требований к оформлению научного отчёта об исследовании.

Решение:
Получение первичных данных на лабораторных занятиях и в домашних условиях. Допускается проведение части подобного исследования во внеаудиторное время.

3. Знакомство с общими методами исследования в биологии.

Решение:
Лекционный курс и самостоятельная работа с источниками информации. Доклад на примере фактов из истории биологии: объём 2±1 страница.

4. Применение полученных знаний, умений и навыков для проведения и оформления собственного исследования в виде НИРС, курсовой работы и/или выпускной квалификационной работы.

Определение понятий

Методы исследования - это способы достижения цели исследовательской работы.

Научный метод - это совокупность приёмов и операций, используемых при построении системы научных знаний.

Научный факт - это результат наблюдений и экспериментов, который устанавливает количественные и качественные характеристики объектов.

Методологическая основа научного исследования - это совокупность методов научного познания, используемых для достижения цели данного исследования.

Методы общенаучные, экспериментальные, методологическая основа - .

Современная биология использует объединение методологических подходов, она использует «единство описательно-классифицирующего и объяснительно-номотетического подходов; единство эмпирических исследований с процессом интенсивной теоретизации биологического знания, включающим его формализацию, математизацию и аксиоматизацию» [Ярилин А.А. «Золушка» становится принцессой, или Место биологии в иерархии наук. // «Экология и жизнь» №12, 2008. С. 4-11. С.11].

Задачи методов исследования:

1. «Усиление естественных познавательных способностей человека, а также их расширение и продолжение».

2. «Коммуникативная функция», т.е. посредничество между субъектом и объектом исследования [Аршинов В.И. Синергетика как феномен постнеклассической науки. М.: Ин-т философии РАН, 1999. 203 с. С.18].

Общие методы исследований в биологии

Наблюдение

Наблюдение - это исследование внешних признаков и видимых изменений объекта на протяжении определённого промежутка времени. Например, наблюдение за ростом и развитием проростка.

Наблюдение – это отправной пункт всякого естественнонаучного исследования.

В биологии это особенно хорошо заметно, так как объект её изучения – человек и окружающая его живая природа. Уже в школе на уроках зоологии, ботаники, анатомии детей учат проведению самых простых биологических исследований путём наблюдения за ростом и развитием растений и животных, за состоянием собственного организма.

Наблюдение как метод собирания информации – хронологически самый первый приём исследования, появившийся в арсенале биологии, а точнее, ещё её предшественницы – естественной истории. И это неудивительно, так как наблюдение опирается на чувственные способности человека (ощущение, восприятие, представление). Классическая биология - это биология по преимуществу наблюдательная. Но, тем не менее, этот метод не утратил своего значения и по сей день.

Наблюдения могут быть прямыми или косвенными, они могут вестись с помощью технических приспособлений или без таковых. Так, орнитолог видит птицу в бинокль и может слышать её, а может фиксировать прибором звуки вне слышимого человеческим ухом диапазона. Гистолог наблюдает с помощью микроскопа зафиксированный и окрашенный срез ткани. А для молекулярного биолога наблюдением может быть фиксация изменения концентрации фермента в пробирке.

Важно понимать, что научное наблюдение, в отличие от обыденного, есть не простое, но целенаправленное изучение объектов или явлений: оно ведётся для решения поставленной задачи, и внимание наблюдателя не должно рассеиваться. Например, если стоит задача изучить сезонные миграции птиц, то мы будем замечать сроки их появления в местах гнездования, а не что-либо иное. Таким образом, наблюдение - это избирательное выделение из действительности определенной части , иначе говоря, аспекта, и включение этой части в изучаемую систему.

В наблюдении важна не только точность, аккуратность и активность наблюдателя, но и его непредвзятость, его знания и опыт, правильный выбор технических средств. Постановка задачи предполагает также наличие плана наблюдений, т.е. их планомерность. [Кабакова Д.В. Наблюдение, описание и эксперимент как основные методы биологии // Проблемы и перспективы развития образования: материалы междунар. науч. конф. (г. Пермь, апрель 2011 г.).Т. I. Пермь: Меркурий, 2011. С. 16-19.].

Описательный метод

Описательный метод - это фиксирование наблюдаемых внешних признаков объектов исследования с выделением существенного и отбрасыванием несущественного. Этот метод стоял у истоков биологии, как науки, но ее развитие было бы невозможно без применения других методов исследования.

Описательные методы позволяют вначале описывать, а затем анализировать явления, происходящие в живой природе, сравнивать их, находя определённые закономерности, а также обобщать, открывать новые виды, классы и прочее. Описательные методы начали использоваться ещё в древности, но на сегодняшний день не утратили своей актуальности и широко применяются в ботанике, этологии, зоологии и т. д.

Сравнительный метод

Сравнительный метод - это исследование сходства и различия в строении, протекании жизненных процессов и поведении различных объектов. Например, сравнение особей разного пола, приндлежащих к одному биологическому виду.

Позволяет изучать объекты исследования путём их сравнения между собой или с другим объектом. Позволяет выявлять сходства и различия живых организмов, а также их частей. Полученные данные дают возможность объединять исследованные объекты в группы по признакам сходства в строении и происхождении. На основе сравнительного метода, например, строится систематика растений и животных. Этот метод использовался также при создании клеточной теории и для подтверждения теории эволюции. В настоящее время он применяется практически во всех направлениях биологии.

Этот метод утвердился в биологии в XVIII в. и оказался очень плодотворным в решении многих крупнейших проблем. С помощью этого метода и в сочетании с описательным методом были получены сведения, позволившие в XVIII в. заложить основы систематики растений и животных (К. Линней), а в XIX в. сформулировать клеточную теорию (М. Шлейден и Т. Шванн) и учение об основных типах развития (К. Бэр). Метод широко применялся в XIX в. в обосновании теории эволюции, а также в перестройке ряда биологических наук на основе этой теории. Однако использование этого метода не сопровождалось выходом биологии за пределы описательной науки.
Сравнительный метод широко применяется в разных биологических науках и в наше время. Сравнение приобретает особую ценность тогда, когда невозможно дать определение понятия. Например, с помощью электронного микроскопа часто получают изображения, истинное содержание которых заранее неизвестно. Только сравнение их со светомикроскопическими изображениями позволяет получить желаемые данные.

Исторический метод

Позволяет выявить закономерности образования и развития живых систем, их структур и функций, сопоставлять их с ранее известными фактами. Данный метод, в частности, успешно использовался Ч. Дарвином для построения его эволюционной теории и способствовал превращению биологии из описательной науки в науку объясняющую.

Во второй половине XIX в. благодаря работам Ч. Дарвина исторический метод поставил на научные основы исследование закономерностей появления и развития организмов, становления структуры и функций организмов во времени и пространстве. С введением этого метода в биологии произошли значительные качественные изменения. Исторический метод превратил биологию из науки чисто описательной в науку объясняющую, которая объясняет, как произошли и как функционируют многообразные живые системы. В настоящее время исторический метод, или "исторический подход" стал всеобщим подходом к изучению явлений жизни во всех биологических науках.

Экспериментальный метод

Эксперимент - это проверка верности выдвинутой гипотезы с помощью целенаправленного воздействия на объект.

Эксперимент (опыт) – искусственное создание в контролируемых условиях ситуации, которая помогает выявить глубоко скрытые свойства живых объектов.

Экспериментальный метод исследования явлений природы связан с активным воздействием на них путем проведения опытов (экспериментов) в контролируемых условиях. Этот метод позволяет изучать явления изолированно и достигать повторяемости результатов при воспроизведении тех же условиях. Эксперимент обеспечивает более глубокое, чем другие методы исследования, раскрытие сущности биологических явлений. Именно благодаря экспериментам естествознание в целом и биология частности дошли до открытия основных законов природы.
Экспериментальные методы в биологии служат не только для проведения опытов и получения ответов на интересующие вопросы, но и для определения правильности сформулированной в начале изучения материала гипотезы, а также для её корректировки в процессе работы. В двадцатом столетии данные способы исследования становятся ведущими в этой науке благодаря появлению современного оборудования для проведения опытов, такого как, например, томограф, электронный микроскоп и прочее. В настоящее время в экспериментальной биологии широко используются биохимические приёмы, рентгеноструктурный анализ, хроматография, а также техника ультратонких срезов, различные способы культивирования и многие другие. Экспериментальные методы в сочетании с системным подходом расширили познавательные возможности биологической науки и открыли новые дороги для применения знаний практически во всех сферах деятельности человека.

Вопрос об эксперименте как одной из основ в познании природы, был поставлен ещё в XVII в. английским философом Ф. Бэконом (1561-1626). Его введение в биологию связано с работами В. Гарвея в XVII в. по изучению кровообращения. Однако экспериментальный метод широко вошел в биологию лишь в начале XIX в., причем через физиологию, в которой стали использовать большое количество инструментальных методик, позволявших регистрировать и количественно характе- ризовать приуроченность функций к структуре. Благодаря трудам Ф. Мажанди (1783-1855), Г. Гельмгольца (1821-1894), И.М. Сеченова (1829-1905), а также классиков эксперимента К. Бернара (1813-1878) и И.П. Павлова (1849-1936) физиология, вероятно, первой из биологических наук стала экспериментальной наукой.
Другим направлением, по которому в биологию вошел экспериментальный метод, оказалось изучение наследственности и изменчивости организмов. Здесь главнейшая заслуга принадлежит Г. Менделю, который, в отличие от своих предшественников, использовал эксперимент не только для получения данных об изучаемых явлениях, но и для проверки гипотезы, формулируемой на основе получаемых данных. Работа Г. Менделя явилась классическим образцом методологии экспериментальной науки.

В обосновании экспериментального метода важное значение имели работы, выполненные в микробиологии Л. Пастером (1822-1895), который впервые ввёл эксперимент для изучения брожения и опровержения теории самопроизвольного зарождения микроорганизмов, а затем для разработки вакцинации против инфекционных болезней. Во второй половине XIX в. вслед за Л. Пастером значительный вклад в разработку и обоснование экспериментального метода в микробиологии внесли Р. Кох (1843-1910), Д. Листер (1827-1912), И.И. Мечников (1845-1916), Д.И. Ивановский (1864-1920), С.Н. Виноградский (1856- 1890), М. Бейерник (1851-1931) и др. В XIX в. биология обогатилась также созданием методических основ моделирования, которое является также высшей формой эксперимента. Изобретение Л. Пастером, Р. Кохом и другими микробиологами способов заражения лабораторных животных патогенными микроорганизмами и изучение на них патогенеза инфекционных болезней - это классический пример моделирования, перешедшего в XX в. и дополненного в наше время моделированием не только разных болезней, но и различных жизненных процессов, включая происхождение жизни.
Начиная, например, с 40-х гг. XX в. экспериментальный метод в биологии подвергся значительному усовершенствованию за счет повышения разрешающей способности многих биологических методик и разработки новых экспериментальных приемов. Так, была повышена разрешающая способность генетического анализа, ряда иммунологических методик. В практику исследований были введены культивирование соматических клеток, выделение биохимических мутантов микроорганизмов и соматических клеток и т. д. Экспериментальный метод стал широко обогащаться методами физики и химии, которые оказались исключительно ценными не только в качестве самостоятельных методов, но и в сочетании с биологическими методами. Например, структура и генетическая роль ДНК были выяснены в результате сочетанного использования химических методов выделения ДНК, химических и физических методов определения ее первичной и вторичной структуры и биологических методов (трансформации и генетического анализа бактерий), доказательства ее роли как генетического материала.
В настоящее время экспериментальный метод характеризуется исключительными возможностями в изучении явлений жизни. Эти возможности определяются использованием микроскопии разных видов, включая электронную с техникой ультратонких срезов, биохимических методов, высокоразрешающего генетического анализа, иммунологических методов, разнообразных методов культивирования и прижизненного наблюдения в культурах клеток, тканей и органов, маркировки эмбрионов, оплодотворения в пробирке, метода меченых атомов, рентгеноструктурного анализа, ультрацентрифугирования, спектрофотометрии, хроматографии, электрофореза, секвенирования, конструкции биологически активных рекомбинантных молекул ДНК и т. д. Новое качество, заложенное в экспериментальном методе, вызвало качественные изменения и в моделировании. Наряду с моделированием на уровне органов в настоящее время развивается моделирование на молекулярном и клеточном уровнях.

Метод моделирования

Моделирование основывается на таком приёме, как аналогия - это умозаключение о сходстве объектов в определенном отношении на основе их сходства в ряде иных отношений.

Модель - это упрощённая копия объекта, явления или процесса, заменяющая их в определённых аспектах.

Модель – это то, с чем более удобно работать, то есть то, что легче увидеть, услышать, запомнить, записать, обработать, передать, наследовать, с чем легче экспериментировать, по сравнению с объектом моделирования (прототипом, оригиналом).
Каркищенко Н.Н. Основы биомоделирования . - М.: ВПК, 2005. - 608 с. С. 22.

Моделирование - это, соответственно, создание упрощённой копии объекта, явления или процесса.

Модели́рование:

1) создание упрощённых копий объектов познания;

2) исследование объектов познания на их упрощённых копиях.

Метод моделирования - это исследование свойств определенного объекта посредством изучения свойств другого объекта (модели), более удобного для решения задач исследования и находящегося в определенном соответствии с первым объектом.

Моделирование (в широком смысле) – это основной метод исследования во всех областях знаний. Методы моделирования используются для оценок характеристик сложных систем и принятия научно обоснованных решений в разных сферах человеческой деятельности. Существующую или проектируемую систему можно эффективно исследовать с помощью математических моделей (аналитических и имитационных) с целью оптимизации процесса функционирования системы. Модель системы реализуется на современных компьютерах, которые в этом случае выступают в качестве инструмента экспериментатора с моделью системы.

Моделирование позволяет изучать какой-либо процесс или явление, а также направления эволюции путём воссоздания их в виде более простого объекта при помощи современных технологий и оборудования.

Теория моделирования – теория замещения объекта-оригинала его моделью и исследования свойств объекта на его модели .
Моделирование – метод исследования, основанный на замене исследуемого объекта-оригинала его моделью и на работе с ней (вместо объекта) .
Модель (объекта-оригинала) (от лат. modus – «мера», «объем», «образ») – вспомогательный объект, отражающий наиболее существенные для исследования закономерности, суть, свойства, особенности строения и функционирования объекта-оригинала .
Когда говорят о моделировании, обычно имеют в виду моделирование некоторой системы.
Система – совокупность взаимосвязанных элементов, объединенных для реализации общей цели, обособленная от окружающей среды и взаимодействующая с ней как целостное целое и проявляющая при этом основные системные свойства. В выделено 15 основных системных свойств, к которым относятся: эмергентность (эмерджентность); цельность; структурированность; целостность; подчиненность цели; иерархичность; бесконечность; эргатичность; открытость; необратимость; единство структурной устойчивости и неустойчивости; нелинейность; потенциальная многовариантность актуальных структур; критичность; непредсказуемость в критической области.
При моделировании систем используют два подхода: классический (индуктивный), сложившийся исторически первым, и системный, получивший развитие в последнее время .

Классический подход. Исторически первым сложился классический подход к изучению объекта, моделированию системы. Реальный объект, подлежащий моделированию, разбивается на подсистемы, выбираются исходные данные (Д) для моделирования и ставятся цели (Ц), отражающие отдельные стороны процесса моделирования. По отдельной совокупности исходных данных ставится цель моделирования отдельной стороны функционирования системы, на базе этой цели формируется некоторая компонента (К) будущей модели. Совокупность компонент объединяется в модель.
Т.о. происходит суммирование компонент, каждая компонента решает свои собственные задачи и изолирована от других частей модели. Применим подход только для простых систем, где можно не учитывать взаимосвязи между компонентами. Можно отметить две отличительные стороны классического подхода: 1) наблюдается движение от частного к общему при создании модели; 2) созданная модель (система) образуется путем суммирования отдельных ее компонент и не учитывает возникновение нового системного эффекта.

Системный подход – методологическая концепция, основанная на стремлении построить целостную картину изучаемого объекта с учетом важных для решаемой задачи элементов объекта, связей между ними и внешних связей с другими объектами и окружающей средой. С усложнением объектов моделирования возникла необходимость их наблюдения с более высокого уровня. В этом случае разработчик рассматривает данную систему как некоторую подсистему более высокого ранга. Например, если ставится задача проектирования АСУ предприятия, то с позиции системного подхода нельзя забывать, что эта система является составной частью АСУ объединением. В основе системного подхода лежит рассмотрение системы как интегрированного целого, причем это рассмотрение при разработке начинается с главного – формулировки цели функционирования. Важным для системного подхода является определение структуры системы – совокупности связей между элементами системы, отражающих их взаимодействие.

Существуют структурные и функциональные подходы к исследованию структуры системы и ее свойств.

При структурном подходе выявляются состав выделенных элементов системы и связи между ними.

При функциональном подходе рассматриваются алгоритмы поведения системы (функции – свойства, приводящие к достижению цели).

Виды моделирования

1. Предметное моделирование , при котором модель воспроизводит геометрические, физические, динамические или функциональные характеристики объекта. Например, модель моста, плотины, модель крыла
самолета и т.д.
2. Аналоговое моделирование , при котором модель и оригинал описываются единым математическим соотношением. Примером могут служить электрические модели, используемые для изучения механических, гидродинамических и акустических явлений.
3. Знаковое моделирование , при котором в роли моделей выступают схемы, чертежи, формулы. Роль знаковых моделей особенно возросла с расширением масштабов применения ЭВМ при построении знаковых моделей.
4. Со знаковым тесно связано мысленное моделирование , при котором модели приобретают мысленно наглядный характер. Примером может в данном случае служить модель атома, предложенная в свое время Бором.
5. Модельный эксперимент. Наконец, особым видом моделирования является включение в эксперимент не самого объекта, а его модели, в силу чего последний приобретает характер модельного эксперимента. Этот вид моделирования свидетельствует о том, что нет жесткой грани между методами эмпирического и теоретического познания.
С моделированием органически связана идеализация - мысленное конструирование понятий, теорий об объектах, не существующих и не осуществимых в действительности, но таких, для которых существует близкий прообраз или аналог в реальном мире. Примерами построенных этим методом идеальных объектов являются геометрические понятия точки, линии, плоскости и т.д. С подобного рода идеальными объектами оперируют все науки - идеальный газ, абсолютно черное тело, общественно-экономическая формация, государство и т.д.

Методы моделирования

1. Натурное моделирование – эксперимент на самом исследуемом объекте, который при специально подобранных условиях опыта служит моделью самого себя.
2. Физическое моделирование – эксперимент на специальныхустановках, сохраняющих природу явлений, но воспроизводящих явления в количественно измененном масштабированном виде.
3. Математическое моделирование – использование моделей пофизической природе, отличающихся от моделируемых объектов, ноимеющих сходное математическое описание. Натурное и физическоемоделирование можно объединить в один класс моделей физического подобия, так как в обоих случаях модель и оригинал одинаковы пофизической природе.

Методы моделирования можно классифицировать на три основные группы: аналитические, численные и имитационные .

1. Аналитические методы моделирования. Аналитические методы позволяют получить характеристики системы как некоторые функции параметров ее функционирования. Таким образом, аналитическая модель представляет собой систему уравнений, при решении которой получают параметры, необходимые для расчета выходных характеристик системы (среднее время обработки задания, пропускную способность и т.д.). Аналитические методы дают точные значения характеристик системы, но применяются для решения только узкого класса задач. Причины этого заключается в следующем. Во-первых, вследствие сложности большинства реальных систем их законченное математическое описание (модель) либо не существует, либо еще не разработаны аналитические методы решения созданной математической модели. Во-вторых, при выводе формул, на которых основываются аналитические методы, принимаются определенные допущения, которые не всегда соответствуют реальной системе. В этом случае от применения аналитических методов приходится отказываться.

2. Численные методы моделирования. Численные методы предполагают преобразование модели к уравнениям, решение которых возможно методами вычислительной математики. Класс задач, решаемых этими методами, значительно шире. В результате применения численных методов получают приближенные значения (оценки) выходных характеристик системы с заданной точностью.

3. Имитационные методы моделирования. С развитием вычислительной техники широкое применение получили имитационные методы моделирования для анализа систем, преобладающими в которых являются стохастические воздействия.
Суть имитационного моделирования (ИМ) заключается в имитации процесса функционирования системы во времени, с соблюдением таких же соотношений длительности операций как в системе оригинале. При этом имитируются элементарные явления, составляющие процесс, сохраняется их логическая структура, последовательность протекания во времени. В результате применения ИМ получают оценки выходных характеристик системы, которые необходимы при решении задач анализа, управления и проектирования.

В биологии, например, можно построить модель состояния жизни в водоеме через некоторое время при изменении одного, двух или более параметров (температуры, концентрации солей, наличия хищников и др.). Такие приемы стали возможны благодаря проникновению в биологию идей и принципов кибернетики - науки об управлении.

В основу классификации видов моделирования можно положить различные признаки . В зависимости от характера изучаемых процессов в системе моделирование может быть разделено на детерминированное и стохастическое; статическое и динамическое; дискретное и непрерывное.
Детерминированное моделирование применяется для исследования систем, поведение которых можно абсолютно точно предвидеть. Например, путь, пройденный автомобилем, при равноускоренном движении в идеальных условиях; устройство, возводящее в квадрат число и т.п. Соответственно в этих системах протекает детерминированный процесс, который адекватно описывается детерминированной моделью.

Стохастическое (теоретико-вероятностное) моделирование применяется для исследования системы, состояние которой зависит не только от контролируемых, но и от неконтролируемых воздействий или в ней самой есть источник случайности. К стохастическим системам относятся все системы, которые включают человека, например, заводы, аэропорты, вычислительные системы и сети, магазины, предприятия бытового обслуживания и т.п.
Статическое моделирование служит для описания систем в какой-либо момент времени.

Динамическое моделирование отражает изменение системы во времени (выходные характеристики системы в данный момент времени определяются характером входных воздействий в прошлом и настоящем). Примером динамических систем являются биологические, экономические, социальные системы; такие искусственные системы как завод, предприятие, поточная линия и т.п.
Дискретное моделирование применяют для исследования систем, в которых входные и выходные характеристики измеряется или изменяется во времени дискретно, в противном случае применяют непрерывное моделирование. Например, электронные часы, электросчетчик – дискретные системы; солнечные часы, нагревательные приборы – непрерывные системы.
В зависимости от формы представления объекта (системы) можно выделить мысленное и реальное моделирование.
При реальном (натурном) моделировании исследование характеристик системы проводится на реальном объекте, либо на его части. Реальное моделирование – наиболее адекватно, но его возможности, с учетом особенностей реальных объектов, ограничены. Например, проведение реального моделирования с АСУ предприятия требует, во-первых, создания АСУ; во-вторых, проведения экспериментов с предприятием, что невозможно. К реальному моделированию относят производственный эксперимент и комплексные испытания, которые обладают высокой степенью достоверности. Другой вид реального моделирования – физическое. При физическом моделировании исследование проводится на установках, которые сохраняют природу явления и обладают физическим подобием.
Мысленное моделирование применяется для моделирования систем, которые практически не реализуемы на заданном интервале времени. В основе мысленного моделирования лежит создание идеальной модели, основанной на идеальной, мыслительной аналогии. Различают два вида мысленного моделирования: образное (наглядное) и знаковое.
При образном моделировании на базе представлений человека о реальных объектах создаются различные наглядные модели, отображающие явления и процессы, протекающие в объекте. Например, модели частиц газов в кинетической теории газов в виде упругих шаров, воздействующих друг на друга во время столкновения.
При знаковом моделировании описывают моделируемую систему с помощью условных знаков, символов, в частности, в виде математических, физических и химических формул. Наиболее мощный и развитый класс знаковых моделей представляют математические модели.
Математическая модель – это искусственно созданный объект в виде математических, знаковых формул, который отображает и воспроизводит структуру, свойства, взаимосвязи и отношения между элементами исследуемого объекта . Далее рассматриваются только математические модели и соответственно математическое моделирование.
Математическое моделирование – метод исследования, основанный на замене исследуемого объекта-оригинала его математической моделью и на работе с ней (вместо объекта) . Математическое моделирование можно разделить на аналитическое (АМ) , имитационное (ИМ) , комбинированное (КМ) .
При АМ создается аналитическая модель объекта в виде алгебраических, дифференциальных, конечно-разностных уравнений. Аналитическая модель исследуется либо аналитическими методами, либо численными методами.
При ИМ создается имитационная модель, используется метод статистического моделирования для реализации имитационной модели на компьютере.
При КМ проводится декомпозиция процесса функционирования системы на подпроцессы. Для тех из них, где это возможно, используют аналитические методы, в противном случае – имитационные.

Список литературы

1. Айвазян С.А., Енюков И.С., Мешалкин Л.Д. Прикладная статистика: Основы моделирования и первичная обработка данных. – М.: «Финансы и статистика», 1983. – 471 с.
2. Альсова О.К. Моделирование систем (часть 1): Методические указания к лабораторным работам по дисциплине «Моделирование» для студентов III - IV курсов АВТФ. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2006. – 68с. Моделирование систем (часть 2): Методические указания к лабораторным работам по дисциплине "Моделирование" для студентов III - IV курсов АВТФ. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007. – 35 с.
3. Альсова О.К. Моделирование систем: учеб. пособие/О.К. Альсова. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2007 - 72 с.
4. Боровиков В.П. Statistica 5.0. Искусство анализа данных на компьютере: Для профессионалов. 2-е изд. – СПб.: Питер, 2003. – 688 с.
5. Вентцель Е.С. Исследование операций. – М.: Высшая школа, 2000. – 550 с.
6. Губарев В.В. Вероятностные модели / Новосиб. электротехн. ин-т. – Новосибирск, 1992. – Ч.1. – 198 с; Ч.2. – 188 с.
7. Губарев В.В. Системный анализ в экспериментальных исследованиях. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2000. – 99 с.
8. Денисов А.А., Колесников Д.Н. Теория больших систем управления: Учеб. пособие для вузов. – Л. Энергоиздат, 1982. – 288 с.
9. Дрейпер Н., Смит Г. Прикладной регрессионный анализ. – М.: Статистика, 1973.
10. Карпов Ю. Имитационное моделирование систем. Введение в моделирование с AnyLogic 5. – СПб.: БХВ-Петрбург, 2005. – 400 с.
11. Кельтон В., Лоу А. Имитационное моделирование. Классика CS . 3-е изд. – СПб.: Питер; Киев: 2004. – 847 с.
12. Лемешко Б.Ю., Постовалов С.Н. Компьютерные технологии анализа данных и исследования статистических закономерностей: Учеб. пособие. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. – 120 с.
13. Моделирование систем. Практикум: Учеб. пособие для вузов/Б.Я. Советов, С.А. Яковлев. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 2003. – 295 с.
14. Рыжиков Ю.И. Имитационное моделирование. Теория и технологии. – СПб.: КОРОНА принт; М.: Альтекс-А, 2004. – 384 с.
15. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем (3-е изд.). – М.: Высшая школа, 2001. – 420 с.
16. Теория случайных процессов и ее инженерные приложения: Учеб. пособие для вузов/Е.С. Вентцель, Л.А. Овчаров. – 3-е изд. перераб. и доп. – М.: Издательский центр «Академия», 2003. – 432 с.
17. Томашевский В., Жданова Е. Имитационное моделирование в среде GPSS . – М.: Бестселлер, 2003. – 416 с.
18. Хачатурова С.М. Математические методы системного анализа: Учеб. пособие.–Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. – 124 с.
19. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем – искусство и наука. – М.: Мир, 1978.
20. Шрайбер Т.Дж. Моделирование на GPSS . – М.: Машиностроение, 1980. – 593 с.
21. Арсеньев Б.П., Яковлев С.А. Интеграция распределенных баз данных. – Спб.: Лань, 2001. - 420 с.

Эксперимент - метод исследования в биологии, при котором экспериментатор сознательно изменяет условия и наблюдает, как они влияют на живые организмы. Эксперимент можно проводить как в лаборатории, так и на открытом воздухе.

В практической микробиологии используют для диагностики инфекционных болезней, выделения и идентификации чистой к-ры возбудителя, индикации и идентификации экзотоксинов. Кроме того, его широко применяют в экспериментальной микробиологии и иммунологии, а также для контроля иммунопрепаратов.

Экспериментальный метод обладает высокой чувствительностью. В случаях выделения чистой к-ры и установления иммунолических сдвигов у животного экспериментальный метод высоко специфичен и может быть использован на ранних этапах болезни. Недостатками экспериментального метода являются трудоемкость, дороговизна, продолжительность исследования, опасность лабораторного заражения. Поэтому его используют в тех случаях, если другие методы неэффективны и если имеются необходимые условия для содержания лабораторных животных.

Применение экспериментального метода в биологии связывают с именем Уильяма Гарвея, который использовал его в своих исследованиях при изучении кровообращения. Но широко применяться в биологии он начал лишь с начала XIX в., прежде всего при изучении физиологических процессов. Экспериментальный метод позволяет изучать то или иное явление жизни с помощью опыта. Большой вклад в утверждение экспериментального метода в биологии внес Г.Мендель, который, изучая наследственность и изменчивость организмов, впервые использовал эксперимент не только для получения данных об изучаемых явлениях, но и для проверки гипотезы, формулируемой на основании получаемых результатов. Работа Г Менделя стала классическим образцом методологии экспериментальной науки.

В XX в. экспериментальный метод стал ведущим в биологии. Это стало возможным благодаря появлению новых приборов для биологических исследований (электронный микроскоп, томограф и др.) и использованию методов физики и химии в биологии.

В настоящее время в биологическом эксперименте широко используют различные виды микроскопии, включая и электронную с техникой ультратонких срезов, биохимические методы, разнообразные способы культивирования и прижизненного наблюдения культур клеток, тканей и органов, метод меченых атомов, рентгеноструктурный анализ, ультрацентрифугирование, хроматографию и т.д. Не случайно во второй половине XX в. в биологии развилось целое направление - создание новейших приборов и разработка методов исследования.

В биологических исследованиях все шире применяют моделирование, которое считают высшей формой эксперимента. Так, ведутся активные работы по компьютерному моделированию важнейших биологических процессов, основных направлений эволюции, развития экосистем или даже всей биосферы (например, в случае глобальных климатических или техногенных изменений).

Экспериментальный метод в сочетании с системно-структурным подходом коренным образом преобразил биологию, расширил ее познавательные возможности и открыл новые пути для использования биологических знаний во всех сферах человеческой деятельности.

ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ "ПЕРВОГО СЕНТЯБРЯ"

БУХВАЛОВ В.А.

Развитие творческих способностей учащихся на уроках биологии

c применением элементов теории решения изобретательских задач (ТРИЗ)

К сожалению, приходится констатировать, что несмотря на продолжающуюся реформу содержания школьного образования, на уроках биологии преобладает информационно-репродуктивное обучение. Подобный подход не соответствует требованиям современного общества, где на первый план выходит не столько энциклопедичность знаний, сколько умение получать информацию, ее преобразовывать и творчески использовать для исследовательской или практической деятельности.
Во второй половине прошлого века Г.С. Альтшуллером была разработана теория решения изобретательских задач (ТРИЗ). В примитивной трактовке ТРИЗ представляет собой комплект алгоритмов формулирования и решения творческих задач. Элементы ТРИЗ можно применять как весьма эффективное средство для развития творческого мышления учащихся при обучении их биологии в школе. С 1987 г. такой эксперимент проводится автором и его коллегами из примерно десяти школ Латвии.
Реализация этой работы потребовала внес-ти значительные изменения в содержание курса. Наряду с традиционными информационными текстами, репродуктивными вопросами и лабораторными работами в курс были включены биологические проблемы – творческие задачи, которые составлялись как самим автором, так и его коллегами. Дополнительно к этому были созданы комплекты творческих работ по биологии исследовательского, экспертного, проектного и прогностического содержания, которые также используются на уроках и в качестве домашних заданий.
Предлагаемые восемь лекций – это сжатый курс основных видов учебной деятельности учащихся и методического обеспечения учителя, направленный на то, чтобы ознакомить коллег с ТРИЗ-подходом в преподавании биологии в школе.

Учебный план курса

№ газеты	Учебный материал
	Лекция 1 . Структура и содержание биологического исследования
	Лекция 2. Биологические проблемы и методы их решений
	Лекция 3. Проблематизация биологических понятий Контрольная работа № 1 (срок выполнения – до 25 ноября 2006 г.)
	Лекция 4. Экспертные работы по биологии
	Лекция 5. Проектные работы по биологии Контрольная работа № 2 (срок выполнения – до 25 декабря 2006 г.)
	Лекция 6. Введение в технологию научных открытий
	Лекция 7. Творческая биография ученого
	Лекция 8. Методика организации учебной деятельности учащихся для эффективного развития творческих способностей
Итоговая работа. Итоговые работы, сопровождаемые справками из учебного заведения (актами о внедрении), должны быть направлены в Педагогический университет не позднее 28 февраля 2007 г.

Лекция 1. Структура и содержание биологического исследования

Специфика исследования в научной практике

Современную жизнь невозможно представить без науки. Зададим учащимся простой вопрос: в чем значение науки в обыденной жизни человека? Как ни странно, наши ученики много могут рассказать из теории науки: привести примеры закономерностей и законов, теорий и методов познания, но почему-то этот вопрос часто вызывает у них затруднение. А ведь ларчик открывается очень просто – всё, что окружает нас в школьном классе, есть прямое воплощение науки в практику: само здание школы построено в соответствии с законами возведения инженерных сооружений; парты, учебники, тетради созданы с учетом гигиенических норм; светильники в кабинете установлены в соответствии с законами электротехники. Даже наша одежда создана с учетом целого букета законов и закономерностей. Собираясь утром в школу, мы пользуемся мылом, готовим чай или кофе, делаем зарядку, и все это обеспечивается практическим применением знаний о научных закономерностях. Причем эти знания закладываются в нас с раннего детства родителями как простые истины, можно сказать аксиомы. Мы с детства привыкаем им следовать, не особо задумываясь над их правильностью.

Возникает первый вопрос: все ли у нас правильно в методиках преподавания предметов, если теорети-ческие закономерности учащиеся, в целом, знают неплохо, но просьба теоретически обосновать их собственные практические действия часто ставит их в тупик? Например, дети вряд ли смогут ответить на вопрос: какие законы физики надо знать, чтобы установить розетку? Или какие правила биологии нуж-но иметь в виду при уходе за комнатными растениями? Или, какие правила определяют, что нужно чистить зубы минимально два раза в день, а не, скажем, три или пять?

Научные исследования во многих случаях на-чинались с постановки конкретных практических задач, на которые ответов не было либо имеющиеся к тому времени ответы не позволяли в полной мере получать высокие практические результаты.

Возьмем классический пример с исследовани-ем питания растений. Еще древние земледельцы научились использовать навоз и золу для увеличе-ния урожайности растений. Однако постоянные, на про-тяжении веков, колебания урожайности ясно давали понять, что сочетания минеральных и органичес

ких удобрений подчиняются определенным правилам и зависят не только от почвы, но и от выращивае-мых культур. И только в конце XIX – начале XX в. агрохимия постепенно становится самостоятельной наукой, и выявляющей закономерности комплектации и применения удобрений на полях.

Таким образом, первая специфическая особенность научного исследования заключается в том, что вопросы, на которые ученые ищут ответы, возникают в реальной практической деятельности . Такие вопросы называются проблемами . Проблема – это вопрос, на который нет ответа вообще или имеющиеся ответы не являются конкретными, обеспечивающими эффективность практической деятельности. Проблемы – постоянные спутники нашей жизни, большие или маленькие, сложные или не очень, но они всегда там, где мы пытаемся что-либо делать. Можно, конечно, ничего не делать, но тогда возникает проблема выживания.

Ученые в большинстве своем – люди весьма наблюдательные и дотошные. Они всегда подвергают сомнению то, что многим кажется простым и понятным. Простой пример из работ Н.Коперника. Все знают, что Солнце встает на востоке и садится на западе. В начале XVI в. почти никто не сомневался, что именно Солнце вращается вокруг Земли, ведь движение Солнца видели все, движение Земли не видел никто. И только Н. Коперник засомневался: а так ли это или только кажется? В результате исследований ученому удалось доказать, что всё как раз наоборот: Солнце стоит на месте, а планеты, включая Землю, движутся вокруг него.

Но нужно ли заниматься перепроверкой всем известных истин?

Вернемся к примеру с применением удобрений на полях. Столетиями эта работа выполнялась на основе практического опыта. Можно утверждать, что земледельцы научились достаточно эффективно использовать различные сочетания минеральных и органических удобрений, но возникает вопрос: были ли эти практические решения наилучшими?

И здесь мы подходим ко второй специфической особенности научных исследований: результаты научных исследований не могут носить характера абсолютной истины, поскольку всегда ограничены методами познания и интеллектуальными возможностями исследователей и, следовательно, требуют периодической перепроверки . Это означает, что любая истина, даже самая, казалось бы, незыблемая, должна время от времени подвергаться сомнению и перепроверяться. Появляются новые методы исследований, и их применение часто приводит к существенным уточнениям в содержании истин, а иногда и к полной замене старых истин на новые.

Часто можно слышать, как молодые люди скептически заявляют, что, мол, в науке перспектив недостаточно: уже все или почти все крупные открытия сделаны, и тратить годы, а то и всю жизнь, на мелкие детали не имеет смысла. Кстати, во все времена большая часть молодежи скептически относилась к научной карьере и только немногие «начинали все заново», перепроверяя то, что считалось незыблемой истиной.

Всегда нужно помнить, что любая истина рождается как ересь и умирает как заблуждение. Правда, никто не знает времени жизни истины, да и невозможно его определить. Это время зависит от скорости появления новых методов познания и ученых с незаурядным интеллектом. Что мы знали о клеточном строении организмов до появления микроскопа? Ничего, кроме гипотез, на сей счет не было. Изобретение микроскопа привело к революционным открытиям в области строения и жизнедеятельности клеток и тканей, возникновению новых наук – цитологии, эмбриологии, гистологии.

Ученых в целом устраивала физическая картина мира, оформленная в стройную систему механики И.Ньютона, и вдруг, а так всегда в науке бывает, именно вдруг, появляется человек с незаурядным интеллектом, А.Эйнштейн, который выдвигает специальную теорию относительности вначале как гипотезу. И это дает новое направление для физических исследований и приводит к пересмотру всей физической картины мира, которая еще недавно ученым казалось простой, понятной и в целом не противоречивой.

Третья специфическая особенность научных исследований заключается в необходимости постоянного самообразования с целью изучения информации по всем вопросам, относящимся к сфере исследования . Наверное, ни в одной профессии нет такого жесткого требования постоянно изучать научную литературу и результаты новейших исследований, как в профессии ученого. Опыт других исследователей, изложенный в публикациях, оформляется в виде научной картотеки, которая с годами пополняется и является самым ценным инструментом научного познания. Не зря ведь говорят, что тот, кто владеет информацией, владеет истиной. Почему картотека так важна в научной деятельности? Потому что она определяет поле известной информации и четко обозначает границу, за которой начинается неизвестное.

В 1919 г. одесский счетовод И.Губерман с помощью элементарной алгебры вышел практически на те же положения специальной теории относительности, что и А.Эйнштейн. Каково же было его удивление и огорчение, когда он узнал, что эти положения уже открыты. Отрыв от информации о новейших исследованиях сводит научную деятельность на нет.

Четвертая специфическая особенность науки заключается в поиске и проверке всех возможных путей ведущих к истине . Такими путями являются научные гипотезы. Научная гипотеза всегда включает в себя определенные факты и допущения. Если гипотеза строится без научных фактов, лишь на одних допущениях, то чаще всего она лишена научного смысла. Это очень важный методологический аспект, определяющий объективность научных исследований.

Кто-нибудь задумывался над вопросом: а почему, собственно, интересные гипотезы приходят в голову, как правило, ученым, занимающимся исследованиями? Почему эти гипотезы не приходят в голову нам? Чем мы хуже? Вот, скажем, «отец русской авиации» Можайский, как-то гуляя под дождем, обратил внимание на то, как вода, стекающая из водосточной трубы, обтекает кирпич. Глядя на положение кирпича, он пришел к идее о форме крыла самолета. Другой пример: по мнению некоторых историков науки, химику Кекуле приснилась форма бензольного кольца. Может быть, и нам что-нибудь приснится или придет в голову, как Можайскому, если почаще гулять под дождем?

Ни то, ни другое. Увидеть научную гипотезу может только тот, кто погружен в информацию по данной теме. В основе гипотезы всегда лежат факты, и сама гипотеза, как интуитивное озарение, рождается лишь в том случае, если ученый регулярно осмысляет эти факты и создает в уме варианты различных последовательностей решения проблемы. В противном случае ничего не будет.

Называть это можно по-разному: инсайтом, озарением, шестым чувством, божественным откровением, как угодно. Но истина открывается только достойным, тем, кто доказал свое право на нее многолетним упорным трудом, а иногда и всей жизнью. Может поэтому нет среди Нобелевских лауреатов молодых и рьяных?

Что такое результаты научной работы? Допустим, что ученый всю свою жизнь посвятил тому, чтобы проверить ряд гипотез, и к концу жизни и карьеры убедился, что все они ошибочные. Может ли такое быть? Еще как! Мы ведь знаем имена тех ученых, которые добились несомненных успехов, творцов законов и теорий, авторов знаменитых и оригинальных гипотез, методов исследований. Но сотни имен ученых, которые не сделали великих открытий, остаются только в анналах специальной научной литературы. О них почти никто не знает. Они перепроверяли разнообразные гипотезы и убеждались сами и убедили других, что многие из этих гипотез несостоятельны. Выходит, жизнь впустую? Раз нет великих открытий, то какой же ты ученый?

Нет, не впустую. Их работы не менее важны, чем работы создателей законов и теорий. Именно благодаря их усилиям экономится время других ученых на ненужные поиски, сужается поле поиска истины. Гипотез, связанных с решением проблемы, может быть очень много – десятки и даже сотни. Возникает вопрос: а нужно ли все проверять? Может быть, достаточно проверить десять, тридцать или те, которые ученому кажутся наиболее близкими к истине?

Специфическая особенность научных исследований как раз в том и заключается, что нужно проверять все возможные гипотезы. Никто не знает и не может знать, а интуитивно это определить крайне сложно, какая гипотеза в результате практической проверки окажется истиной.

Более того, таких истин может быть несколько, что дает в последующем альтернативные направления в развитии науки и практики. Поэтому научное исследование требует терпения и многократной проверки.

Сделаем некоторые выводы из первой части нашей лекции.

Вывод первый – пессимистический. Научная работа чаще всего не приносит ни денег, ни славы. Как писал К.Э. Циолковский: «Я всю жизнь занимался тем, что не давало мне ни славы, ни хлеба, но я верил, в то, что в будущем мои работы принесут людям горы хлеба и бездну могущества» («Грезы о Земле и небе»).

Значит ли это, что наука – это занятие для людей не от мира сего. Вовсе нет. Уже в школе надо начинать подготовку к научной деятельности, обучая учеников азам научных исследований и поиску проблем, которые имеют перспективы для научной практики. Следует помнить, что общество может быть цивилизованным и конкурентоспособным только при условии конкурентоспособности научных институтов, имеющихся в этом обществе.

Одна из главных задач учителя – знакомить учащихся с новейшими исследованиями в изучаемой науке, с проблемами, над которыми в настоящее время работают ученые, методами их решений, практическими перспективами использования возможных решений. Что касается денег и славы, то ведь немало профессий, которые держатся на энтузиазме людей, выбирающих эти профессии. Профессии врача, учителя, инженера у нас не являются высокооплачиваемыми, но невозможно представить общество без этих профессий.

Второй вывод – оптимистический. Практика работы многих учителей показывает, что, начиная с 6–7-го классов, учащихся можно постепенно обучить методологии научных исследований. Более того, уже в школе отдельные ученики могут выполнить весьма успешные и интересные с научной точки зрения исследования.

Вывод третий – методологический. Изложенный выше материал представляет собой информацию для организации дискуссий с учащимися. По каждой особенности научных исследований можно проводить отдельные дискуссии, причем, начиная уже с 6-го класса. Ведь специфика научных исследований – это некоторые закономерности научной деятельности, понимание сути которых позволяет реально представить ученику работу ученого. Вкратце повторим последовательность ее основных этапов.

Мир вокруг нас можно рассматривать как совокупность проблем, возникающих в практической деятельности, и важно научиться видеть и формулировать эти проблемы.

Очень важно время от времени пересматривать известные закономерности, законы и теории, особенно сопоставляя их с новыми фактами. Должна идти настоящая «охота» за противоречиями между теорией и фактами. Именно противоречия и есть двигатель науки.

Для накопления необходимой для научной работы информации нужна картотека. В идеале, картотеку нужно начинать составлять с детского сада, в крайнем случае, со школьной скамьи. Чем больше картотека по исследуемой теме, тем больше шансов на победу, т.е. на научное открытие, почет, славу, деньги, Нобелевскую премию, наконец. Это если с юмором подходить к делу. А если серьёзно, ведение картотеки требует постоянного самообразования – ведь нужно не просто выписать факт, но и проанализировать его взаимосвязь с другими фактами и теориями.

Итак, сопоставив факты и теорию, мы увидели противоречие. Начинается самое интересное – формулирование гипотез для разрешения противоречий и их проверка. Гипотезы должны иметь хотя бы частичную фактологическую основу, т.е. быть научными, и чем гипотез будет больше, тем вероятнее, что хотя бы одна из них окажется истиной.

Но всё ли в этих выводах соответствует научной работе или что-то здесь не так? Вот об этом и нужно дискутировать с учащимися.

Структура биологического исследования и особенности его содержания

Исследование – это решение проблемы, включающее в себя теоретический анализ, оформление гипотез, практическую проверку полученных гипотез и оформление результатов. Научное исследование имеет следующую структуру.

1. Постановка проблемы, цели и задач исследования. От того, насколько правильно сформулирована проблема, зависят результаты всего исследования. Проблема исследования – это затруднение в объяснении жизнедеятельности организма или сообщества, недостаток или отсутствие информации о каком-либо объекте или процессе.

Формулирование проблемы начинается с краткого описания ситуации, в которой возникает проблема, после чего составляется формулировка самой проблемы.

Для формулирования проблемы о возникающем затруднении можно использовать следующую схему: выполнение действия (краткое описание его сути) дает положительный эффект (указывается, какой), но при этом возникает отрицательный эффект (указывается, какой).

Для формулирования проблемы о недостатке или отсутствии информации о какой-либо системе можно использовать следующую схему: повышение эффективности функционирования системы (указывается, какой) возможно в том случае, если будут созданы специальные условия (указывается, какие).

Исходя из сути проблемы, формулируется цель исследования. Цель – это ожидаемый результат исследования.

В соответствии с целью формулируются задачи исследования. В задачах исследования указываются основные этапы работы, их, как правило, три: теоретический анализ проблемы исследования, оформление гипотез решений проблемы в теоретическую модель и практическая проверка теоретической модели и ее коррекция.

2. Выбор методов исследования. Выбор методов исследования определяется поставленными задачами. Для выполнения каждой задачи следует тщательно продумать и выбрать теоретические и (или) практические методы.

К теоретическим методам относятся: сравнительный анализ информации из научной литературы, моделирование, системный анализ, методика решения противоречий, конструирование и проектирование.

К практическим методам исследования относятся: наблюдение, измерение, анкетирование, интервью, тестирование, беседа, метод рейтинга (определение значимости объекта, деятельности какой-либо личности или события путем использования специальной шкалы оценок), метод независимых характеристик (составление письменной характеристики объекта, личности или события большим количеством людей независимо друг от друга), эксперимент.

3. Теоретический анализ проблемы. Абсолютное большинство научных проблем не являются объективно новыми. Они уже когда-то ставились учеными в разных формулировках и имеют определенные решения. Другое дело, что имеющиеся решения малоэффективны или приводят в появлению нежелательных отрицательных последствий.

Поэтому первый этап теоретического анализа – это изучение и анализ научной и научно-популярной литературы. Без такого анализа велика вероятность того, что полученные результаты исследования будут повторять ранее известные решения проблемы.

Приступая к анализу научной литературы, следует, прежде всего, выбрать необходимые источники. Для этого лучше всего воспользоваться систематическим каталогом библиографического отдела научной библиотеки.

При работе с каждой книгой внимательно ознакомьтесь с оглавлением, выберите главы и параграфы, которые имеют непосредственное отношение к проблеме исследования. Из этих глав выписываются только те фрагменты, в которых содержится информация о методах решения проблемы, полученных решениях. Эти фрагменты выписываются полностью, либо составляются их аннотации.

Важнейшим условием правильного анализа научной литературы является сравнение различных подходов к решению проблемы, указание сильных и слабых сторон в каждом из полученных авторами решений. После завершения анализа научных монографий необходимо проанализировать научно-популярную литературу и, прежде всего, научно-популярные журналы. Часто результаты новейших исследований публикуются именно в научно-популярной литературе.

На втором этапе теоретического анализа выполняется решение проблемы с помощью методов диалектической логики и формулирования гипотез. Оптимальный путь – это решение проблемы всеми указанными выше методами: системным анализом, методикой разрешения противоречий. О применении этих методов будет рассказано во второй лекции.

На третьем этапе теоретического анализа сравниваются решения проблемы, полученные в процессе анализа научной литературы, и гипотезы, полученные при проведении диалектического анализа. В результате этой работы конструируется теоретическая модель цели исследования для последующей практической проверки.

4. Практическая проверка теоретической модели. Практическая проверка теоретической модели включает в себя, как правило, следующие три группы операций.

1. Практическая проверка теоретической модели с помощью экспериментов и ее коррекция . Исследователю следует помнить, что критерием истины является практика, а именно экспериментальная проверка полученных теоретических положений.

Планируя проведение экспериментов, следует придерживаться следующих правил: 1) максимальное исключение из опыта факторов, которые могут помешать его проведению или исказить результаты; 2) многократное повторение опытов; 3) сравнение результатов опыта с результатами в контрольном опыте, т.е. в отсутствие факта, действие которого исследуется, или в стандартных условиях; 4) возможные отрицательные последствия для участников опыта должны просчитываться заранее; 5) положительный результат опытов – это достижение устойчивых (воспроизводимых) положительных результатов в большинстве опытов.

2. Социометрия – это изучение мнений различных людей об экспериментальной системе с помощью бесед, анкетирования, интервью, методов рейтинга и независимых характеристик, тестов. Социометрия позволяет увидеть и оценить достоинства и недостатки экспериментальной системы глазами многих людей, как имеющих, так и не имеющих отношения к ее созданию. Важнейшим условием социометрии является предварительное ознакомление участников опросов с экспериментальной моделью. Люди должны знать то, о чем они будут высказывать свое мнение.

Для подготовки вопросов анкеты или интервью можно использовать следующую схему:

– Как вы относитесь к исследуемой системе?
– В чем, по вашему мнению, заключаются положительные стороны модели?
– В чем, по вашему мнению, заключаются отрицательные стороны модели?
– Как вы думаете, нужно ли внести в систему следующие изменения (указывается, какие именно)?– Какие изменения вы предлагаете внести в систему?

3. Математический анализ результатов экспериментов и социометрии предполагает построение графиков, диаграмм, составление уравнений, а также определение коэффицентов изменений полезных функций.

Графики и диаграммы строятся на основе общих правил. Коэффицент изменения каждой полезной функции системы рассчитывается как отношение количественного показателя полезной функции системы до воздействия к количественному показателю полезной функции после воздействия на изучаемую систему. Коэффиценты изменений полезных функций могут быть выражены в процентах, для этого полученные цифровые значения умножаются на 100%.

Математическая обработка полученных результатов позволяет более точно определить эффективность функционирования экспериментальной системы.

5. Составление выводов и предложений. Этот этап исследования включает в себя следующие две части.

1. Констатирующая часть. В этой части исследования составляются обобщенные выводы по каждой части работы. На основе теоретического анализа проблемы в выводах кратко отображается полученная теоретическая модель, ее сильные и слабые стороны. На основе практической части работы анализируются результаты экспериментов, указываются элементы коррекции, которые были внесены в теоретическую модель, – окончательно оформляется результат (цель) исследования.

На основании математической обработки результатов экспериментов и социометрии анализируется изменение эффективности функционирования полученной экспериментальной системы по сравнению с общепринятыми данными и отношение людей к ней.

Следует помнить, что в процессе исследования могут быть получены как отрицательные, так и положительные результаты. Принципиально важной является аргументация, которую предлагает исследователь для объяснения полученных результатов.

Завершая констатирующую часть, исследователь оценивает теоретические и практические результаты проведенного исследования.

2. Прогнозирующая часть. В этой части формулируются предложения по дальнейшим исследованиям изучаемой системы. Исследователь составляет краткий прогноз развития исследований системы, формулирует проблемы, которые могут возникнуть в ее деятельности, и составляет краткий план их решения.

6. Оформление списка использованной литературы. (В РФ для каждого вида публикаций установлены государственные стандарты (ГОСТ) библиографических описаний. За рубежом издатели определяют правила библиографических описаний для каждого вида издания.)

Список литературы, которая использовалась в процессе исследования, может быть составлен двумя способами: по алфавиту или по порядку использования. Если указываются научные монографии, то форма записи имеет следующий вид:

1. Иванов В.В. Балтийское море. – Рига: Просвещение,1987. – С. 34–37.
Указаны страницы издания, использованные в работе, но можно указать и общее количество страниц в книге. В этом случае вместо С. 34–37, записывается общее количество страниц в книге, например, 205 с.
Если указываются статьи из научных журналов или газет, то форма записи имеет следующий вид:

2. Петров А.Н. Заповедник Морицсала//Природа и мы. – 1989. – №7. – С. 32–41.

Сформулируем некоторые выводы по этой части лекции. Ознакомление учащихся с технологией научного исследования желательно построить через серию обсуждений его отдельных этапов на уроках. При этом рассказ учителя об особенностях каждого этапа желательно дополнять письменными размышлениями (эссе) учащихся на тему о значении данного этапа для процесса исследования и его результатов. Составление эссе рекомендуется проводить в группах, затем зачитывать и обсуждать, причем другим группам ставится задача опровергнуть основные выводы зачитываемого эссе.

Методика ознакомления учащихся с биологическим исследованием

Опыт обучения учащихся технологии научного исследования позволяет предложить как один из возможных вариантов методики преподавания следующий подход:

6–9-е классы – изучение элементов исследовательской деятельности;

10–11-е классы – целостное изучение технологии научного исследования.

Несомненно, что среди учащихся основной школы всегда будут дети с высоким интеллектуальным уровнем, которые к 7–9-му классу смогут провести целостное биологическое исследование, однако таких детей единицы.

Обучение анализу научной и научно-популярной литературы

В 6–8-х классах рекомендуется научить учащихся методике работы с информацией из научной и научно-популярной литературы. Существует пять вариантов такой работы (по степени усложнения): 1) картотека (набор аннотаций); 2) энциклопедическая справка; 3) доклад; 4) реферат; 5) обзорный анализ.

Сразу следует сказать об объеме работ. К сожалению, часто учителя завышают требования к объему докладов учащихся. Объемы информационных работ следует жестко ограничивать, следуя принципу: слов должно быть мало, мыслям должно быть тесно. Тем, кто сомневается в этом, можно напомнить, что докторская диссертация А.Эйнштейна по специальной теории относительности была изложена всего на 25 страницах. И это в то время, когда подобные диссертации писали не менее, чем на 150–200 страницах.

Картотека представляет собой набор карточек, на которых кратко изложено содержание статьи или книги. Обучение составлению картотеки следует начинать с текстов учебника. Примерный план аннотации может быть следующим: 1) название текста; 2) основные идеи текста; 3) факты, аргументы и опыты в поддержку основных идей; 4) противоречия между аргументами; 5) проблемы (недостаток или отсутствие информации о чем-либо). Объем карточки – не более половины страницы А4 (900 знаков).

Энциклопедическая справка представляет собой сборник карточек по выбранной теме. Объем энциклопедической справки растет с каждым годом.

Доклад представляет собой текст, в котором приводится сравнение двух или более мнений ученых, результатов исследований по выбранной теме. На первом этапе обучения возможно составление элементарных докладов по материалам энциклопедии или Интернета (это скорее информационное сообщение, нежели доклад). Основная задача доклада – сравнение различных мнений и поиск возможных противоречий. Объем доклада не более 3 страниц.

Реферат отличается от доклада тем, что на основе сравнения мнений разных ученых по выбранной теме автор реферата формулирует проблемы (противоречия) и выдвигает гипотезы для их решений. Эта форма работы оценивается выше, чем доклад. Объем реферата – не более 5 страниц.

Обзорный анализ – это реферат, в котором изложены основные научные мнения, результаты исследований по данной теме, сделан их сравнительный анализ, сформулированы проблемы (противоречия) и выдвинуты гипотезы. Объем обзорного анализа желательно ограничить 7–10 страницами.

Обучение формулированию проблем, их решению и выдвижению гипотез

Этот большой и достаточно сложный раздел мы рассмотрим подробно во второй и третьей лекциях.

Обучение наблюдениям, измерениям, опытам

Это традиционные элементы биологических исследований. Обучение методам этих исследований осуществляется в рамках программных лабораторных и практических работ. Однако необходимо сделать одно важное дополнение из теории решения изобретательских задач (ТРИЗ, подробнее о ТРИЗ – в следующих лекциях). Измерения должны выполняться в соответствии со следующими правилами.

1. Для точного определения состояния системы необходимо последовательное измерение всех ее изменений.

2. Если невозможно измерить параметры самой системы, то это можно сделать на ее копии или адекватной модели.

3. Если измерение параметров системы вызывает значительные трудности, то желательно так изменить систему, чтобы отпала необходимость в измерениях этих параметров.

4. Точность измерений можно повысить, если сравнить систему с одним или несколькими эталонами, параметры которых известны.

Обучение планированию исследований в 8–11-х классах

Под планированием исследований понимается специальная серия творческих заданий для учащихся, выполняя которые, они составляют описание плана предполагаемых исследований. Эту работу желательно начинать уже в 8-м классе. В средней школе эта работа должна быть обязательным составным элементом учебной деятельности учащихся.

Приведем несколько примеров таких заданий.

1. Составьте план исследования состояния окру-жающей среды в окрестностях вашей школы, используя в качестве индикаторов деревья, лишайники, видовой состав и количество травянистых растений.

2. По некоторым данным, ожирение у человека является генетическим заболеванием, а не следствием нерационального образа жизни. Составьте план исследования для определения реальных причин ожирения.

3. Ученые установили, что работы сердца человека недостаточно для перекачивания крови по организму. Составьте план исследования, которое необходимо было выполнить ученым.

Планирование исследования желательно проводить в группах или парах учащихся. Эти формы, особенно групповая форма, обеспечивают оптимальную организацию общения учащихся.

Учащимся можно предложить следующий алгоритм решения этой задачи, который является лишь одним из возможных алгоритмов планирования исследования.

1. Определите цель исследования: какой результат предполагается получить в процессе исследования? В чем практический смысл исследования?

2. Определите задачи и методы исследования – последовательность этапов работы для достижения цели.

3. Сформулируйте проблему исследования – затруднение, которое необходимо устранить, недостаток или отсутствие информации о цели исследования.

4. Сформулируйте гипотезу (гипотезы) исследования – предположение о возможном способе решения проблемы.

5. Составьте краткое описание информации, которую необходимо получить из научной литературы для построения теоретической модели проблемной ситуации.

6. Составьте описание наблюдений, опытов и измерений, которые необходимо выполнить для проверки гипотезы (гипотез).

7. Что будет содержаться в выводах из результатов исследования?

Пример планирования исследования

Ученые установили, что только 10% ДНК клеток человека регулярно работает на синтез белка. Какие исследования необходимо было провести ученым для такого вывода? Составьте его план.

Планируем исследование по следующему алгоритму.

1. Цель исследования – определение объема и состава регулярно работающих генов по отношению к общему объему генов. Практический смысл исследования заключается во многих аспектах, например в том, чтобы понять, какие гены интенсивно работают и, возможно, быстрее изнашиваются и как это влияет на продолжительность жизни человека. Еще один вариант – попытаться найти механизм регулирования работы генов, особенно выключения тех генов, работа которых нежелательна в данный возрастной период.

2. Задачи исследования:

1) анализ научной литературы: найти в научной литературе информацию о работе генов;

2) экспериментальные исследования для определения экспрессии генов (для определения белков будут использованы химические методы);

3) сравнение результатов экспериментальных исследований с данными, имеющимися в научной литературе.

3. Проблема исследования – необходимо получение точной информации об интенсивности работы и составе регулярно работающих генов человека в течение его жизни.

4. Гипотез может быть много, однако ограничимся одной: у человека регулярно работают не все гены, а только их часть, обеспечивающая синтез белков, необходимых для поддержания нормальной жизнедеятельности. Желательно, чтобы учащиеся выдвигали много гипотез, но планировать дальнейшие шаги исследования рекомендуется на основе одной гипотезы, которой ученики отдадут предпочтение. Планирование исследований по остальным гипотезам можно рекомендовать как домашнее задание или задание для углубленного изучения курса (дифференциация).

5. Из научной литературы необходимо получить следующую информацию: какие гены и как интенсивно работают, какие гены включаются только в определенный период, какие работают постоянно. Сравнить информацию из разных научных источников, сформулировать противоречия в виде проблемных вопросов.

6. Эксперименты предполагают определение синтезируемых белков в изолированных тканях тела человека, при этом желательно выбирать разные ткани для последующего сравнения. Необходимо определить, какие белки будут синтезироваться. Кроме того, образцы тканей необходимо взять у людей разного возраста для оценки возрастных изменений в экспрессии генов.

7. В выводах должны быть приведены обобщения по результатам каждого этапа работы (задачи), сравнение результатов экспериментов и теоретической модели, оценка соответствия полученных результатов гипотезе и формулировка перспектив дальнейших исследований.

Сделаем некоторые выводы по этой части лекции. В 6–7-х классах начинается начальное обучение учащихся технологии исследования. Подготовка карточек-аннотаций, энциклопедических справок, докладов, рефератов планируется учителем исходя из особенностей содержания тем и наличия дополнительной литературы. Аналитические обзоры рекомендуется выполнять в средней школе. Практические и лабораторные работы, опыты и измерения в классе и дома позволяют овладеть элементарными навыками практики исследований.

Начиная с 8-го класса желательно включать задания на планирование биологических исследований. Вначале – как обобщающие работы по двум-трем темам, чтобы учащиеся имели возможность выбора. Для этого ученикам предлагается несколько тем. В 10–11-х классах такие задания желательно включать в содержание каждой темы как на уроках, так и для домашнего выполнения.

Освоение учащимися планирования научных исследований позволяет отдельным ученикам со временем перейти к реальным научным исследованиям. Этот выбор делают сами ученики, и, чаще всего, он относится к исследованиям по экологической и природоохранной тематикам, а также к проблемам образа жизни детей и взрослых и его влиянию на их здоровье. Последние работы выполняются с помощью анкетирования, тестирования и других социометрических методов.

Вопросы и задания

1. Предложите темы и составьте описание методик проведения дискуссий с учащимися по специфическим особенностям научных исследований.

2. Правильно ли утверждение, что в споре рождается истина? Некоторые ученые заявляют, что в споре не истина рождается, а лишь обозначаются противоречия для поиска истины. Кому верить? Почему?

3. Молодой и амбициозный ученый твердо определил, что к 30 годам он просто обязан получить Нобелевскую премию за открытие, которое он обязательно сделает. Можно ли заранее спланировать такое открытие? Не подскажете ли секрет планирования?

4. Составьте план исследования влияния вегетарианского питания на состояние здоровья человека.

5. Составьте методику обучения учащихся планированию исследований на примере составления плана исследования проблемы влияния непрерывного самообразования на продолжительность жизни человека.

Литература для дополнительного чтения

1. Альтшуллер Г.С. Найти идею.– Новосибирск: Наука, 1986. – 209 с.

2. Бабанский Ю.К. Интенсификация процесса обучения // Биология в школе. – 1987.– №1. – С. 3–6.

3. Кларин М.В. Инновации в мировой педагогике: обучение на основе исследования, игры и дискуссии. (Анализ зарубежного опыта.) – Рига, НПЦ «Эксперимент», 1995. – 176 с.