Компьютеризированные лабораторные работы по биологии

Руководитель исследовательской группы "СНАРК", к.т.н. О.А.Поваляев
Преподаватель биологии средней школы N880, к.б.н. Е.Н.Овчарова
Зав. учебно-методической лабораторией МИПКРО Л.И.Рубачева

При изучении биологии в школе чрезвычайно важной частью учебного процесса являются лабораторные работы. По этому каждый учитель стремится сделать их максимально информативными и привлекательными для школьника. И безусловно, в этом ему может помочь компьютер.

С возможностями компьютера школьники знакомятся как на уроках информатики в школе, так и в быту. Лучше всего они знают компьютер, как элемент индустрии развлечений (компьютерные игры). На уроках информатики их знакомят и с другими возможностями компьютера - составление различных архивов и баз данных (своеобразная "записная книжка"), выполнение сложных вычислений ("калькулятор"), редактирование текстов. Таким образом, у школьников складывается впечатление, что компьютер это либо игрушка, либо усовершенствованная канцелярская принадлежность.

Безусловно, оба эти применения чрезвычайно важны и произвели буквально революцию как в области развлечений, так и делопроизводстве, но этим возможности компьютера не исчерпываются. Серия компьютеризированных лабораторных работ, созданная исследовательской группой СНАРК и лабораторией новых технологий обучения МГИУ в сотрудничестве с Московским институтом повышения квалификации работников образования (МИПКРО), открывает учащимся возможность использования компьютера для обработки аналоговых сигналов (т. е. сигналов от реальных физических приборов).

Этот аспект применения компьютеров чрезвычайно важен для будущих врачей (современные методы диагностики), инженеров-технологов (управление технологическими процессами), а также исследователей, военных, конструкторов и представителей многих других специальностей, опорой которых являются естественные науки, основанные на выполнении и последующей математической обработке результатов измерений физических величин. Но, к сожалению, именно этот аспект применения компьютеров в школьном курсе информатики практически не рассматривается. Этот пробел и призваны ликвидировать компьютеризованные лабораторные работы в области естественных наук, в частности биологии.

Безусловным достоинством предлагаемой серии лабораторных работ является и то, что они чрезвычайно наглядно показывают учащимся внутреннее устройство (как бы позволяют заглянуть под крышку), таких важнейших для проведения биологических исследований оптических приборов, как спектрофотометры и фотоэлектрокалориметры, поляриметры, нефелометры и люминометры. Ведь в основе всех этих приборов лежит комбинация источника света, приемника света и дополнительных фильтрующих свет элементов, а поскольку в разработанном лабораторном комплексе все эти элементы выполнены в виде отдельных небольших блоков, которые легко монтируются на магнитной доске, ученик из этих блоков, как из кубиков, может собрать любой, необходимый ему оптический прибор. Здесь прослеживаются и межпредметные связи: ученик на практике убеждается, что законы оптики, которые он изучал в курсе физики, является важнейшим инструментом в изучении биологических явлений.

Аналоговый сигнал с прибора с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) переводится в цифровую форму и передается на компьютер, который открывает широкие возможности для обработки результатов измерений: это и построение графиков, и статистическая обработка результатов и возможность отслеживания одновременно нескольких параметров, соотношения которых могут быть представлены не только в виде графиков, но и в виде таблиц.

Именно на измерении оптических параметров построены лабораторные работы по изучению свойств моносахаридов, белков и ферментов (Раздел "Цитология" курса общей биологии; 1-е полугодие 10 класса), а также кривых роста микроорганизмов (11 класса, экология).

Лабораторная работа по моносахаридам позволяет легко на практике познакомить учащихся с существованием оптических изомеров сахаров. В работе явно прослеживается межпредметные связи не только с физикой (сборка схемы лабораторной модели поляриметра), но, в первую очередь, с химией. Однако химические свойства сахаров (и других биологически активных веществ), рассматриваются в курсе органической химии очень кратко, поскольку внимание химиков - органиков сосредоточено в первую очередь на продуктах переработки нефти и получаемых на их основе искусственных полимерах.

В тоже время для биолога моносахариды - фундамент такой важнейшей части обмена веществ, как энергетический обмен, а цикл обмена углеводов - ключ, объединяющий энергетический обмен с пластическим в единое целое.

Вследствие этого работу по изучению моносахаридов лучше всего проводить именно в курсе цитологии (10класс) в качестве иллюстрации к разделу "Углеводы".

Чрезвычайно интересна и лабораторная работа по изучению денатурации яичного альбумина. В данной работе на лабораторной установке измеряется светорассеяние. Получаемый в результате измерений график влияния температуры на светорассеяние альбумина позволяет наглядно показать школьникам не только типичный для большинства белков температурный диапазон денатурации, но и продемонстрировать, насколько быстро наступает необратимая денатурация белка при превышении критического температурного порога.

Серия лабораторных работ по изучению скорости ферментативных реакций интересна тем, что позволяет фиксировать течение ферментативной реакции (переваривание крахмала амилазой) в нейтральном режиме.

Процесс измерений, чрезвычайно трудоемкий при периодическом режиме, при непрерывном мониторинге становится настолько легко выполнимым, что преподаватель без труда может провести с учащимися не только изучение кинетики единичной ферментативной реакции в фиксированных условиях, но и проследить влияние на скорость ферментативной реакции таких факторов, как концентрация фермента, температура, кислотность среды.

Большую познавательную ценность имеет и предоставляемая предлагаемым циклом работ возможность проследить в непрерывном режиме динамику роста микроорганизмов (например дрожжей) и получить таким образом реальную S-образную кривую, которая для большинства школьников всегда остается лишь абстракцией.

Таким образом, серия лабораторных работ для старших классов обладает большой развивающей и познавательной ценностью.

Не меньше интересны и работы для 9-тых классов по курсу "Человек и здоровье". Учащиеся наглядно убеждаются в том, что и физиологические параметры организма также измеряются с помощью физических приборов.

В лабораторных работах, посвященных дыханию, учащиеся могут проследить за частотой дыхательных движений, сравнить свои индивидуальные данные с данными других учеников, а также со средними значениями, приведенными в учебнике; могут проанализировать влияние на чистоту дыхательных движений физической и эмоциональной нагрузки, убедиться, что звуки человеческой речи возникают только на выдохе, проанализировать как влияет на глубину вдоха И Выдоха задержка дыхания(к вопросу о регуляции дыхательных движений).

С помощью датчика влажности учащиеся могут сравнить влажность вдыхаемого и выдыхаемого воздуха (влажность выдыхаемого воздуха всегда близка к 100%, ведь альвеолы не должны подсыхать!), а также сравнить скорость испарения влаги с поверхности кожи и легких.

Работы по теме "Нервная система" позволяют не только установить индивидуальные различия между учащимися в скорости нервной реакции (простая сенсомоторная проба), но и проследить за влиянием на ее результаты таких факторов, как отвлечение внимания и интоксикация, возникающая при задержке дыхания.

Одновременно демонстрируется более сложный нервный процесс (реакция с выбором), на скорость которого оказывает мощное влияние эмоциональное состояние, в частности т. н. "установка" - готовность к выполнению определенных действий и достижению поставленной цели.

Таким образом, предлагаемый курс компьютеризованных лабораторных работ расширяет представления учащихся о возможностях компьютера, знакомит их с общими принципами устройства оптических приборов и физиологических датчиков, развивает межпредметные связи в мышлении школьников.

Значительное снижение трудоемкости работ за счет выполнения их в непрерывном режиме, открывает широкие возможности исследования процессов, ранее недоступных школьному курсу биологии. В целом предлагаемый курс лабораторных работ расширяет и углубляет теоретические познания школьников и их практические навыки, что в целом способствует расширению кругозора учащихся и формированию у них естествонаучного мировоззрения.