Статья Проблемные задания на уроках биологии

Проблемные задания на уроках биологии

Основной целью проблемного обучения является формирование и развитие проблемного мышления у обучающихся. При использовании технологии проблемного обучения образовательный процесс строится так, чтобы ученик постоянно вовлекался в решение новых для него проблем. Структура проблемного урока представляет собой систему взаимосвязанных проблемных заданий. Проблемные вопросы формулируются в виде познавательной проблемной задачи. Для конструирования и решения проблемных заданий можно использовать методику, предложенную И.Я.Лернером.

Алгоритм решения проблемной задачи включает три этапа.

1-й этап - осознание проблемы. Учащиеся вскрывают противоречие, заложенное в вопросе, пытаясь найти разрыв в цепочке причинно - следственных связей.

2-й этап - формулирование гипотезы, позволяющей разрешить найденное противоречие.

3-й этап - доказательство гипотезы. Поиск путей доказательства. Гипотезы требует от учащихся переформулировки задания или вопроса.

4-й этап - решение проблемы заканчивается общим выводом, в котором углубляются изучаемые причинно - следственные связи и раскрываются новые стороны познаваемого объекта или явления.

Урок по теме: «Прокариотическая клетка»

Учебник: Сивоглазов В.И., Агафонова И.Б., Захарова Е.Т. Общая биология 10 - 11 классы. Базовый уровень

Проблемная задача №1

Известно, что бактериальная клетка не имеет ядра, координатора и регулятора всех функций клетки. Объясните, каким образом контролируется и регулируется нормальный ход всех внутриклеточных процессов в клетках бактерий?

Решение

1-й этап - осознание проблемы, вскрытие противоречий.

Учащиеся знают, что ядро - важнейший компонент всех эукариотических клеток, хранящий наследственную информацию и управляющий процессами внутриклеточного метаболизма, обеспечивающий нормальную жизнедеятельность клетки и выполнение своих функций. Удаление ядра из клетки приводит её к гибели.

В условии задачи сказано, что бактериальная клетка (прокариотическая) не имеет ядра, но не теряет способности управлять нормальным ходом всех важнейших процессов. Налицо противоречие, оно может быть представлено в тетради учащегося в виде следующей записи:

Причина Следствие

Есть ядро. В клетке содержится наследственная информация,

контролируются все процессы жизнедеятельности клетки.

Нет ядра. В клетке должна отсутствовать наследственная

информация, внутриклеточные процессы

не должны контролироваться.

Нет ядра Противоречие. Но клетка имеет наследственную информацию

Почему? и контролирует все внутриклеточные процессы

II-й этап - выдвижение гипотезы

В данной задаче гипотеза может быть сформулирована следующим образом.

Отсутствие ядра в эукариотической клетке должно было бы привести к нарушению всех процессов её жизнедеятельности, за которые отвечает ядро, а в бактериальной клетке этого не происходит. Видимо, в прокариотической клетке, есть какая - то структура, которая дублирует функции ядра.

III- й этап - доказательства гипотезы

Для доказательства гипотезы необходимо переформулировать вопрос. В данной задаче это можно сделать следующим образом: «Как бактериальная клетка хранит, предаёт наследственную информацию и контролирует все внутриклеточные процессы?».

Чтобы ответить на этот вопрос, учащиеся используют ранее полученные знания, а как основной источник информации - текст учебника (с.7-71).

Формируются доказательства:

• наследственная информация, программа жизнедеятельности любой клетки, хранится в ДНК, а в клетках бактерий она присутствует.

• Передача, обмен генетической информации также происходит с помощью ДНК.

IV - й этап - общий вывод

Бактериальная клетка, не имеющая ядра, может контролировать и регулировать нормальный ход всех внутриклеточных процессов, так как она имеет:

• нуклеоид - особую кольцевую молекулу ДНК, содержащую генетический материал, всю программу жизнедеятельности клетки;

• плазмиды - мелкие молекулы ДНК, участвующие в обмене генетической информацией между клетками.

Проблемная задача №2

Бактерии могут питаться по - разному: автотрофно и гетеротрофно. Установлено, что гетеротрофные бактерии «едят» почти всё: нефть, парафин, мыло, стиральный порошок и многое другое. Как объяснить тот факт, что у гетеротрофных бактерий не наблюдается такой способ питания как фагоцитоз?

Решение

I-й этап - осознание противоречий

Причина Следствие

1.Бактерии могут питаться 1.Бактерии практически всеядны

автотрофно и гетеротрофно сами синтезируют органические

вещества

или потребляют готовые

2.Гетеротрофные 2.Должны потреблять готовые

бактерии потребляют готовые органические вещества

органические вещества различными способами, в том

числе и с помощью фагоцитоза

3.Гетеротрофные бактерии Противоречие 3.Не используют фагоцитоз

Почему?

II-й этап - выдвижение гипотезы

Фагоцитоз - процесс захвата и поглощения клеточной мембраной твёрдых частиц. Раз бактериальная клетка не способна к фагоцитозу, значит, есть причины, не позволяющие ей осуществлять захват твёрдых пищевых частиц.

III - Доказательства гипотезы

Почему бактериям не доступен фагоцитоз. Для ответа надо вспомнить особенности строения клеточной мембраны, её свойства. Основные источники информации: текст учебника (стр.71) и дидактические материалы.

Формируются доказательства:

• поверхность клеток гетеротрофных животных 9некоторых простейших, лейкоцитов крови) представлена только одной мембраной, которая обладает подвижностью и эластичностью, что позволяет ей достаточно легко обволакивать и захватывать твёрдые частицы;

• поскольку бактериальная клетка неспособна к фагоцитозу, значит, причина этого кроется в строении её поверхности, которая представлена не только клеточной мембраной, но и другими компонентами, в частности клеточной стенкой.

IV-й этап - общий вывод

Бактериальным клеткам недоступен фагоцитоз. Они получают пищу в виде растворов, так как их клеточная оболочка представлена цитоплазматической мембраной т клеточной стенкой. Клеточная стенка бактерий состоит из муреина и представляет собой прочный нерастяжимый каркас, через который твёрдые частицы не проникают. Для того чтобы захватить твёрдую частицу, бактериальной клетке пришлось «снять» с себя клеточную стенку, но бактерии на это не способны.

Проблемная задача №3

Прокариотическая клетка лишена таких мембранных органоидов, как ЭПС, аппарат Гольджи, митохондрии и некоторые другие. Как ей удаётся синтезировать АТФ, углеводы, липиды?

Решение

I этап- осознание проблемы, вскрытие противоречия

Причина Следствие

1. Клетка имеет ЭПС, 1. В клетке осуществляется синтез аппарат Гольджи, углеводов, липидов. АТФ и др.

митохондрии, пластиды

2. Клетка не имеет ЭПС, 2. В клетке не синтезируются

АГ, митохондрий, углеводы, липиды, АТФ и др.

пластид

3. Клетка не имеет ЭП, АГ, Противоречие. 3. В клетке осуществляется

митохондрий, пластид. Почему? синтез органических веществ

II Этап - выдвижение гипотезы

Если бактериальная клетка, не имеющая органоидов мембранного типа, может синтезировать органические вещества, то в ней должны быть какие - то структуры, выполняющие функции отсутствующих органоидов.

III этап - доказательства гипотезы

Источники информации для ответа на вопрос: текст учебника (с.71) и дополнительная информация на дидактической карточке.

Формируются доказательства:

• в бактериальных клетках нет мембранных органоидов, но их функции выполняют особые выпячивания мембраны - мезосомы. На мембранах мезосом расположены ферменты, пигменты.

IV этап - общий вывод

Бактериальная клетка способна синтезировать различные органические соединения благодаря наличию особых структур - мезосом. На мембранах мезосом расположены окислительно - восстановительные ферменты, пигменты. Поэтому мезосомы могут выполнять функции митохондрий, аппарата Гольджи, ЭПС и других органоидов.

Проблемная задача №4

Хорошо известно, что все бактерии имеют микроскопические размеры. Как вы думаете, маленький размер бактериальных клеток - это преимущество или недостаток?

Решение

I этап - осознание проблемы, вскрытие противоречий

Причина Следствие

Маленькие размеры. Это - недостатки

Маленькие размеры. Это - преимущества

Противоречие

Почему?

II этап - выдвижение гипотезы

Вероятнее всего, микроскопические размеры бактерий являются их преимуществом. Все бактерии, несмотря на микроскопические размеры, не только не исчезли, но и процветают. Возможно, микроскопические размеры обеспечивают бактериям определённые преимущества в осуществлении процессов жизнедеятельности, в частности питания и подвижности.

III этап - доказательства гипотезы

Источником информации для решения проблемной задачи является дополнительная информация. Вводится понятие «относительная поверхность тела». Выводится следующая закономерность: для любых тел при увеличении размеров в n раз поверхность увеличивается в n x n раз, а объём - в n x n x n раз. Относительная поверхность у большого тела будет в n раз меньше, чем у маленького. Время диффузии веществ от поверхности к органоидам очень сильно зависит от расстояния. Кроме того, сопротивление среды при перемещении клетки также сильно увеличивается с увеличением её размеров.

Формируются доказательства:

-Бактерии очень маленькие, поэтому их относительная поверхность тела очень велика и вещества быстро переносятся во внутренние области клетки;

-Каждая точка внутреннего объёма клетки получает в единицу времени много питательных веществ;

-Маленькая бактериальная клетка может усвоить больше питательных веществ, чем крупная клетка;

-Легче осуществить перемещение в среде мелких клеток, чем крупных.

IV этап - общий вывод

Несмотря на микроскопические размеры, бактерии имеют большую относительную поверхность тела. Благодаря этому они получают много питательных веществ, что, в свою очередь, обеспечивает их быстрый рост и размножение. Ещё одно важное преимущество маленьких бактерий перед более крупными организмами заключается в том, что они легко и быстро перемещаются потоками воздуха в новые места обитания.

Урок по теме «Насекомые - рекордсмены многообразия»

Учебник: А.А.Вахрушев., О.В.Бурский., А.С.Раутиан. «Биология. От амёбы до человека» М., БАЛАСС 2005

Проблемная задача №1

Большинство насекомых имеет маленькие размеры. Как вы думаете, маленький размер насекомых - это преимущество или недостаток?

Решение

I этап - осознание проблемы, вскрытие противоречий

Причина Следствие

Маленькие размеры. Это - недостатки

Маленькие размеры. Это - преимущества

Противоречие

Почему?

II этап - выдвижение гипотезы

Вероятнее всего, мелкие размеры насекомых являются их преимуществом. Насекомые, несмотря на маленькие размеры, процветают. Класс Насекомые является самым многочисленным среди животных, насчитывающим по самым скромным подсчётам, 1,5 - 2 миллиона видов. Возможно, маленькие размеры обеспечивают насекомым определённые преимущества в осуществлении процессов жизнедеятельности, в частности питания, подвижности, дыхания.

III этап - доказательства гипотезы

Источником информации для решения проблемной задачи является учебник (с.129 - 134) и дополнительная информация. Очевидно, что прочность наружного скелета зависит от его толщины. Если длина тела насекомого увеличится вдвое, толщина его покровов тоже удвоится. Но масса тела при этом возрастёт в восемь раз, так как зависит от объёма. Для такой массы надо бы, чтобы и покровы стали в восемь раз толще - и… во столько же раз тяжелее. Насекомые длиной в несколько сантиметров ещё могут кое - как управляться с таким панцирем за счёт дополнительных «ухищрений»: суперсильных мышц, суперлёгкой конструкции. Но ясно, что дальнейшее увеличение размеров ведёт к супермедлительности. Поэтому насекомые мелкие животные. Важное ограничение размера насекомых - особенности дыхания. Кровь у них не участвует в транспорте кислорода. Он попадает во все части тела по системе разветвлённых трахей. В каждом сегменте тела обычно есть пара дыхалец, через которые воздух поступает в трахеи. Дыхальца могут открываться и зарываться, чтобы не выветривалась лишняя влага. Этот способ дыхания хорош, но при увеличении толщины тела длина трахей увеличивается. Чтобы избежать кислородного голода, надо «проветривать» трахеи быстрее с помощью специальных приспособлений - эластичных мешков. Но ими нельзя обеспечить каждую трахею. Кроме того, ускоренная вентиляция приводит к быстрой потере воды. Так что и дыхание ограничивает размеры тела. С мелкими размерами тела связано ещё одно преимущество. Они могут специализироваться на маленьких, но постоянных источниках пищи. При всех достоинствах мелкие размеры имею крупный недостаток: насекомые становятся объектом питания более крупных животных, прежде всего позвоночных.

Формируются доказательства:

- увеличение размеров тела приведёт к супермедлительности;

- увеличение толщины покровов приведёт к быстрой потере воды и кислородному голоданию;

- мелкие размеры тела обеспечивают мелкие, но постоянные источники пищи;

IV этап - общий вывод

Несмотря на недостаток мелких размеров насекомых: они становятся объектом питания более крупных животных, прежде всего позвоночных, мелкие размеры имею определённое преимущество. Насекомые освоили все среды обитания, кроме водной. Для них характерна узкая специализация к источникам пищи, приспособленность к питанию и защите от хищников в конкретных условиях. Этому способствовали их мелкие размеры, освоение полёта, возможность видоизменения ротового аппарата, конечностей, крыльев, симбиоз с цветковыми растениями.

Урок «Земноводные - первые наземные позвоночные»

Учебник: А.А.Вахрушев., О.В.Бурский., А.С.Раутиан. «Биология. От амёбы до человека» М., БАЛАСС 2005

Проблемная задача №1

Все водные организмы на суше сталкиваются с двумя основными проблемами: силой тяжести и иссушением. Первая лишает возможности передвигаться, вторая приводит к высыханию поверхностного слоя клеток, с потерей их функций. Все клеточные реакции обмена веществ это взаимодействие водных растворов. В высохших клетках обмен веществ прекращается. Чем отличаются животные, способные жить на суше?

Решение

I этап - осознание проблемы, вскрытие противоречий

Причина Следствие

Поиски источников пищи Освоение новых сред обитания,

Выход позвоночных на сушу Проблемы: сила тяжести, иссушение

II этап - выдвижение гипотезы

Земноводные стали первыми позвоночными животными, вышедшими на сушу. Они, в отличие от кистепёрых рыб, могли выбираться на сушу часто и надолго. Вероятно, они смогли решить проблемы комплексно: приспособились к действию силы тяжести на суше, стали использовать новые способы дыхания, изменили строение кожи, органов кровообращения, опорно - двигательной системы.

III этап - доказательства гипотезы

Источником информации для решения проблемной задачи является учебник (с.193 - 201) и дополнительная информация.

Формируются доказательства:

- в середине палеозоя сосудистые растения образовали заросли над водой. Первыми эти заросли заселили растительноядные животные - членистоногие и послужили новым источником пищи, который привлёк позвоночных;

- земноводные стали первыми позвоночными животными, которые нашли новую среду обитания и источники пищи, к которым ещё никто не приспособился;

- у земноводных в ходе эволюции возникли ведущие и сопутствующие приспособления: плоское тело, рычажные конечности, пояса конечностей, развитая мускулатура (сила тяжести); железистая кожа, лёгочное дыхание, второй круг кровообращения, трёхкамерное сердце (проблема иссушения).

IV этап - общий вывод

Земноводные в поисках новых источников пищи вышли на сушу и первыми решили проблемы комплексно. Силу тяжести они преодолели при помощи плоского тела сверху вниз и рычажных конечностей, соединённых подвижными суставами. Конечности соединены с позвоночником поясами конечностей, что определило прочность и подвижность всего тела. Скелет служит для прикрепления специализированных мышц, и играют активную роль в опорно - двигательной системе. Важное приспособление земноводных, позволившее им ненадолго покидать водоём, - голая кожа, пронизанная капиллярами. Она имеет большую поверхность и обеспечивает кожное дыхание. Кожа поглощает атмосферный кислород пока влажная, поэтому в коже много желез, выделяющих слизь. Земноводные комбинируют различные способы дыхания. Они дышат лёгкими, кожей, стенками полости рта и жабрами (головастики). Для дыхания на суше важнее всего лёгкие и рот - замкнутые полости, внутри которых значительно легче поддерживать влажность. В кровеносной системе появился второй круг кровообращения, который проходит через лёгкие и кожу. Сердце имеет три камеры, и органы получают смешанную кровь. Воздух прозрачнее воды, поэтому ведущую роль у земноводных приобретает орган зрения. Глаза большие, выпуклые, хрусталик более плоский, лягушки видят дальше, чем рыбы, появились веки и мигательная перепонка.

Урок «Плата за независимость»

Учебник: А.А.Вахрушев., О.В.Бурский., А.С.Раутиан. «Биология. От амёбы до человека» М., БАЛАСС 2005

Проблемная задача

Птицы и млекопитающие - теплокровные животные. Они способны поддерживать температуру тела на постоянном, оптимально высоком уровне. У большинства зверей она составляет 36 - 38 градусов, у птиц - 39 - 41 градус. Почему леопард съедает больше, чем крокодил?

I этап - осознание проблемы, вскрытие противоречий

Причина Следствие

Теплокровность. Это - преимущества

Теплокровность. Это - недостатки

II этап - выдвижение гипотезы

Леопард - теплокровное животное, а крокодил - холоднокровное. Вероятно, для поддержания температуры тела на постоянном оптимальном высоком уровне животным требуется больше пищи.

III этап - доказательства гипотезы

Для доказательства гипотезы необходимо переформулировать вопрос. В данной задаче это можно сделать следующим образом: «В чём преимущества и недостатки теплокровности?

Источником информации для решения проблемной задачи является учебник (с. 224 - 228) и дополнительная информация. В любой живой клетке скорость химических реакций зависит от температуры тела. С ростом температуры на 10 градусов их скорость возрастает примерно вдвое. Увеличивается скорость пищеварения, сердцебиения, мышечных сокращений. Улучшается проведение нервного возбуждения, острота зрения, работа мозга. На каждую реакцию затрачивается энергия, которая получается при окислении их кислородом. Чем выше температура, тем больше нужно кислорода. Значит, быстрее идут жизненные процессы. Чем теплее, тем лучше - только до определённого предела. В жару рост активности животных замедляется. Оказывается, при температуре выше 45 градусов происходит денатурация белков - необратимое изменение молекул и потеря биологических свойств. Поэтому все живые организмы боятся перегрева больше, чем охлаждения. Постоянство температуры достигается внутренней терморегуляцией. Управляет ею специальный центр в промежуточном мозге. Как только температура тела начинает понижаться, организм автоматически «сжигает» питательные вещества и вырабатывает дополнительное тепло. Если температура повышается, животное расходует дополнительные силы на охлаждение. Постоянные условия внутри организма позволяют настроить все органы на наилучший режим работы независимо от изменения внешних условий. Это особенно важно для работы органов центральной нервной системы и органов чувств. Поэтому поведение теплокровных животных намного усложнилось и позволило быстрее находить пищу, избегать хищников, строить гнёзда, то есть изменять среду для своих потребностей. Но у теплокровности есть большой недостаток: она крайне расточительна. Даже в состоянии покоя животное вынуждено поддерживать постоянную температуру тела и тратить много энергии на терморегуляцию. Поэтому теплокровное животное потребляет во много раз больше пищи. Такой темп жизни могут «позволить себе» только высоко организованные животные - млекопитающие и птицы.

Формируются доказательства:

- теплокровность животных имеет как преимущества, так и недостатки;

- для поддержания постоянной температуры тела им требуется много энергии, поэтому они много потребляют пищи, по сравнению с холоднокровными животными;

- преимуществом является то, что постоянные условия внутри организма позволяют настроить органы на наилучший режим работы независимо от изменчивости внешних условий.

IV этап - общий вывод

Вся жизнь животных - это непрерывное соревнование в борьбе за выживание и продолжение рода. Побеждает тот, кто лучше приспособился: сумел убежать, догнать, заметить, опередить. Важнейшую роль в приобретении этих качеств играет теплокровность. Поэтому в современном мире животных господствуют два класса теплокровных животных: звери и птицы. Чтобы сократить затраты энергии на терморегуляцию у теплокровных в ходе эволюции появился ряд приспособлений: густой мех, перья, подкожный слой жира, особое расположение кровеносных сосудов, сжатие и расслабление подкожных сосудов, потоотделение.

Совокупность целенаправленно сконструированных задач, включающих проблемные ситуации, призвана обеспечить главную функцию проблемного обучения - творческое усвоение содержания образования, формирование самостоятельной познавательной деятельности и развитие творческих способностей учащихся.

При моделировании урока в режиме технологии проблемного обучения важно учитывать, что учащиеся должны выполнять проблемные задания самостоятельно на каждом этапе урока. Источники информации, которые учащиеся используют для решения проблемных задач по ходу урока, могут быть различными: статья учебника, устная информация от учителя, видеоряд, информационные листы, ресурсы Интернета и др. Важно, чтобы все учащиеся усвоили алгоритм решения проблемных заданий и приобрели навыки их решения.

Литература

О.А.Битюкова «Система проблемных заданий на уроках биологии». Журнал Биология. № 20. Издательский дом «Первое сентября». М., 2010