Особенности организации научно-исследовательских работ школьников по дисциплинам естественно-научного цикла
методическая разработка по биологии на тему

Всероссийский открытый конкурс юношеских

исследовательских работ имени В.И.Вернадского

Методическая секция

Тема работы:

«Особенности организации научно-исследовательских работ школьников по дисциплинам естественно-научного цикла»

Сведение об авторе:

Пашкова Марина Александровна,

кандидат биологических наук,

учитель химии и биологии

Муниципального общеобразовательного учреждения

средней общеобразовательной школы №8 г.Шарыпово

Красноярского края,

заместитель директора по УВР,

руководитель школьной профильной лаборатории

«Химия и экология»,

адрес: 662315 г.Шарыпово, 3 микрорайон, д.32

e-mail: pmakbn@mail.ru.

2010г.

С 1 сентября 2007 года наша школа получила статус старшей профильной школы. Старшеклассники изучают предметы на профильном уровне. Помимо этого, каждый из них должен по окончании 11-го класса защитить дипломную работу, посещая выбранную самим учащимся профильную лабораторию. Процедурная задача руководителя – помочь ученику выполнить требования к работе как к исследованию. Содержательная задача руководства – помочь ученику продвинуться в содержании исследования, приблизиться к настоящему, самостоятельному научному исследованию.

Надо сказать, что подготовкой школьников к участию в научно-практической конференции я занималась и ранее в рамках НОУ. Накоплен определённый опыт в этом направлении, который я и представляю.

Начинала я свою работу с анализа тем и обзора исследовательских работ, которые выставлялись на городской научно-практической конференции школьников за последние несколько лет. Это были, в основном, проектные работы, включающие подробный анализ литературных данных или доля исследования была так мала и неактуальна, что действительно научно-исследовательской работой это было трудно назвать. Рассмотрим содержание материалов, которые соответствуют требованиям к исследовательским работам, установленным и принятым в научном мире.

1. Актуальность темы. Здесь необходимо изложить важность исследования: для чего оно проводится, также ставится проблема (противоречие).
2. Цель исследования: что предполагается сделать и для чего.
3. Задачи: прописываются конкретные действия, которые необходимы для достижения цели. Формулировки задач можно начинать такими фразами:

• провести наблюдения;
• дать характеристику;
• провести анализ;
• провести мониторинг;
• определить пути;
• разработать практические рекомендации и др.

4. Научная новизна – самый, пожалуй, главный критерий работы. Исследование должно проводиться впервые или при совершенно других условиях и обстоятельствах.
5. Практическая значимость работы: что необходимо сделать, чтобы ликвидировать проблему (противоречие).
6. Ход работы включает в себя следующие этапы:

• Литературный обзор.
• Объекты исследования.
• Методы исследования.
• Динамика, мониторинг.
• Результаты.
• Практические рекомендации.
• Выводы.

Теперь немного подробнее о каждом из этапов.

Литературный обзор лучше представлять вначале работы. Чтобы это сделать, необходимо проработать большое количество источников информации с целью получения наиболее полного представления по теме исследования. Это также необходимо и для того, чтобы быть способным выдвигать действительно научные предположения.

Объектами исследования могут выступать воздух, водные ресурсы, почва, растения, животные, человек, продукты питания. Можно рассматривать качественные и количественные характеристики объектов. Например, исследуя водные объекты, обычно определяют качество воды: органолептические свойства, газовый режим водоёма, жёсткость воды, кислотность, микроэлементный состав природных вод, а также их гидробиологические показатели. Надо сказать, что к отбору проб воды следует уделять особое внимание, т.к. состав воды в пробе очень быстро меняется. Чем быстрее проведено исследование, тем достовернее результат будет получен. Существует портативное оборудование, удобное в эксплуатации, которое позволяет получать данные на месте отбора проб практически сразу же.  Иногда же пробы нужно в лабораторию доставлять, и для этого необходимо соблюдать правила отбора проб, их транспортировки и, если требуется, консервирования. При исследовании озёр, прудов, рек для отбора проб воды используют специальные устройства – батометры, например, Рутнера и Молчанова. Батометр опускают в воду в открытом виде и закрывают на требуемой глубине с помощью посыльного груза. Затем его вытаскивают из воды и переливают содержимое в сосуды для хранения проб.

Общим требованиям, предъявляемым к ним (сопротивление растворению, прочность, эффективность закрытия), лучше всего отвечает полиэтиленовая посуда или сосуды (бутылки, склянки) из прозрачного, бесцветного, химически стойкого стекла. При определении растворённых газов в воде важна герметичность сосудов. Рекомендуется применять специальные склянки для проб, концентрация газов в которых за счёт сообщения с атмосферой не может существенно изменяться в течение двух суток. Бутыли для проб перед использованием следует тщательно вымыть концентрированной соляной кислотой. Для обезжиривания используют синтетические моющие средства. Сильно загрязнённые стеклянные бутыли моют и обезжиривают хромовой смесью. Особая тщательность требуется при подготовке посуды для отбора проб на тяжёлые металлы.

На методах исследования хотелось бы остановиться более подробно, избрав в качестве примера водоём. Дело в том, что качеству вод, а особенно, малых рек, сейчас уделяется большое внимание. Предприятия, в зоне которых находиться водный объект, обязаны следить за его чистотой, а если при работе предприятия происходит загрязнение  и ухудшение качества воды, предприятие вынуждено платить внушительные штрафы. Поэтому сейчас мудрые руководители вкладывают средства в очистные сооружения, как минимум, а в лучшем случае – меняют устаревающее оборудование на природосберегающее. Итак, экологическое исследование водного объекта включает изучение и описание абиотических составляющих экосистемы: климата, почвенного покрова, литологического состава подстилающих горных пород, рельефа местности, гидрологических и гидрохимических характеристик природной воды и биотических составляющих: флоры и фауны водного объекта, которые составляют водные цепи. На основании этих характеристик составляется паспорт водоёма, который позволяет оценить роль водоёма в той или иной экосистеме, самоочищающую способность водного объекта и степень антропогенной нагрузки, в конечном счёте, выработать рекомендации по его охране и рациональному хозяйственному использованию.

Наметив объект исследования, необходимо составить общий план изучения водоёма, который состоит из подготовительного этапа (выполняется до начала полевых работ на основе картографических и литературных материалов); полевых исследований и камеральной обработки материала.

 Определение гидрографических характеристик реки или водоёма: к бассейну какой речной системы они относятся, притоком какой реки и какого порядка река является; какова протяжённость, площадь водосборного бассейна. Далее необходимо определить физико-географические характеристики бассейна реки, гидрохимические и гидробиологические показатели качества воды. Для этого проводят полевые исследования и расчётные графические работы, которые являются заключительным этапом полевых исследований.

Непосредственно на водном объёкте проводят гидрометрические работы. В случае реки – глазомерные съёмки; определение ширины и глубины реки, скорости течения реки; измерение температуры, прозрачности и цвета воды.

Для водоёма полевые исследования включают: обследование прилегающей к водоёму местности, наблюдения за колебаниями уровня воды; изучение характера дна, берегов и прибрежной полосы.

Исследование гидрохимических показателей воды включает измерения: рН, содержание растворённых газов, содержание растворённого органического вещества, взвешенных частиц; ионов, обуславливающих минерализацию (карбонатов, гидрокарбонатов, сульфатов, хлоридов, катионов кальция, магния, суммы калия и натрия).

Определение уровня химического загрязнения проводят, измеряя концентрации таких загрязнителей, как фенолы, нефтепродукты, тяжёлые металлы.

Гидробиологические показатели включают определение характеристик фитопланктона, зоопланктона, бактериопланктона, микробиологических показателей (общее микробное число и коли-индекс), биохимическое потребление кислорода, продукционно-деструкционные показатели.

Методики определения показателей качества воды можно найти в соответствующей литературе. Однако, анализы, проведённые в аттестованных лабораториях, являются более информативными, достоверными, с минимальной долей погрешности. Поэтому, если есть такая возможность, то любое исследование лучше проводить в подобной лаборатории. Результаты, полученные именно в аттестованных лабораториях, могут быть преданы огласке и, что очень важно, носят действительно научный характер. Только они могут быть положены в основу настоящей научно-исследовательской работы.

Какими исследованиями, в настоящее время, занимаются школьники, посещающие профильную лабораторию «Химия и экология»? В основном, это определение уровня содержания тяжёлых металлов в различных объектах живой и неживой природы. Почему нам интересны такие темы? Потому что для окружающей среды наиболее опасной группой токсикантов являются именно тяжёлые металлы. Они накапливаются в почве, усваиваются растениями, произрастающими на них. Это же в полной мере относится и к овощным культурам, особенно к корнеплодам, интенсивно аккумулирующим в себе не только питательные вещества, но и поллютанты.

Опасность представляют подвижные формы металлов, которые и передаются по цепям питания, рискуя попасть на стол человека.

Приведу пример одной работы. К выступлению на научно-практической конференции школьников весной 2008 года готовится ученик 11-го класса Курбалиев Рустам. Тема его работы «Влияние открытой разработки Берёзовского угольного разреза-1 на экологическое состояние территории». Проблема влияния открытых угольных разработок на экологическое состояние прилегающих территорий изучается порядка 50-ти лет. Известно, например, что местности, находящиеся в непосредственной близости к карьерам, со временем становятся непригодными для жизни. Отчуждение земель происходит из-за масштабного неблагоприятного влияния самого угля, пыли. Причиной служат токсиканты, содержащиеся в углях.

Целью этой работы является определение уровня содержания тяжёлых металлов (ТМ) в овощах, произрастающих на дачных участках в районе Берёзовского угольного разреза в сравнении с контрольными образцами, выращенными на удалённых от разреза землях. Задачи, определённые в начале работы были следующие:

1. Найти данные об элементном составе угля.
2. Выявить значимые ТМ для определения.
3. Изучить научные данные по аналогичным исследованиям в других районах.
4. Провести анализ проб на содержание ТМ.
5. Проанализировать данные лабораторного анализа в сравнении между контрольными и опытными образцами.
6. Определить, действительно ли происходит загрязнение почвы токсикантами, попадающими в больших количествах именно из угля разреза.
7. Насколько высок уровень загрязнения.
8. Сделать выводы, опираясь на данные эксперимента.
9. Выяснить, какие природоохранные мероприятия проводятся на разрезе.
10. В случае необходимости разработать практические рекомендации по снижению уровня загрязнения в овощах.

Что сделано на данном этапе? Во-первых, проведена кропотливая работа по анализу литературных данных, касающихся темы исследования. Надо сказать, что антропогенное воздействие Берёзовского угольного разреза изучено мало. Нам удалось найти результаты исследований о содержании ТМ лишь в почвах. Данных о накоплении токсикантов в овощах по нашему региону на сегодняшний день нет. В этом, собственно, и состоит новизна нашей работы. Приведу пример подобных исследований по Кемеровской области. Хотя и там систематических работ в этом направлении не проводится. Имеются результаты отдельных научных исследований, из которых следует, что проблема накопления чужеродных веществ овощными культурами существует. Итак, Новокузнецк - промышленный город с очень неблагоприятной экологической обстановкой, а Таштагол - относительно безопасная территория, т.к. в округе нет промышленных гигантов. Из данных таблицы видно, что содержание канцерогенных веществ в картофеле и моркови, выращенных под Новокузнецком, в 1,2 - 7 и даже более раз выше, чем в аналогичных овощах, полученных в Таштаголе.

Во-вторых, проведены анализы проб экстрактов, полученных с помощью аппарата для экстракции из картофеля, моркови, свёклы, репчатого лука. Все анализы по определению содержания тяжёлых металлов получены методом атомно-адсорбционной спектрометрии (АСС), проведённые в химической лаборатории Берёзовской ГРЭС-1, которая получила аттестат аккредитации лаборатории топлива. В-третьих, проведён сравнительный анализ данных, который позволил сделать вывод о высоком уровне загрязнения. В настоящее время разрабатываются рекомендации по снижению уровня загрязнения окружающей среды разрезом и населению по мерам предосторожности.

Ещё одна научно-исследовательская работа проводится ученицами 11-го класса Тыц Еленой и Козуля Инной. Тема работы такова: «Кремнийорганическая косметика». Казалось бы, эта работа не имеет ничего общего с предыдущей, но их объединяет то, что экспериментальные данные мы получали также с помощью метода ААС. Что же это за данные? Мы исследовали содержание кремния в водных экстрактах трав, произрастающих в нашем регионе для того, чтобы использовать, например, отвары этих трав в косметических композициях. Итак, целью работы является разработка рецептов кремов и лосьонов с уникальными свойствами, к тому же наиболее доступными, т.к. их можно будет приготовить в домашних условиях. Уникальные свойства будет придавать такая составляющая, как биоорганический активный кремний, содержащийся в экстрактах и вытяжках трав, произрастающих в нашем регионе.

А что такое кремний?

• Это «философский камень» человечества.
• Это элемент, которому мы, может быть, обязаны существованием.
• Это второй по распространённости после кислорода элемент, превосходящий все последующие вместе взятые.
• Это составная часть наиболее распространённых минералов.
• В воде морей и океанов его больше, чем таких элементов, как кальций, фосфор, углерод.

Конечно же, это не случайно!

До середины 20 века считалось, что кремний - инертный элемент. Но по мере изучения его свойств, учёные всё больше убеждались в колоссальной важности кремния, в том числе и для здоровья человека.

Это важнейший компонент волос, ногтей, зубов, костей, лёгочной ткани, кожи. Что же происходит именно с кожей при недостатке этого элемента или при нарушении его обмена? Она становится морщинистая, сухая, ухудшается её цвет, появляются дефекты.

Фундаментальные исследования по значимости кремния для человека, его кожи  проводились Сибирским Отделением Академии Наук в Новосибирске, Иркутске. Через 15 лет американские учёные подтвердили эти данные. Были проведены многочисленные эксперименты. Итак, кремний - структурообразующий компонент мукополисахаридов, составляющих основу клеточной стенки любой ткани, любого органа.

Мы все сегодня испытываем дефицит этого элемента в той или иной степени, т.к. с питанием мы его недополучаем по ряду причин. И всё же, выход можно найти: больше употреблять продуктов, содержащих кремний. Для кожи лица дополнительным источником может являться соответствующая косметика. Именно составлением косметических композиций, средств, содержащих биодоступный, абсолютно нетоксичный кремний, мы в данный момент и занимаемся.

Что нами сделано на сегодняшний день? Кроме обработки литературных, научных данных, мы изучили состав большинства овощей и дикорастущих трав, в наибольшей степени содержащих элемент. За летний период мы проверили теоретические данные экспериментально, разработали ряд рецептов приготовления косметических композиций в домашних условиях и способы их применения. Что же касается выпуска кремнийорганической косметики, то её выпуском занимается всего одна фирма в мире - это наши соотечественники под руководством д.х.н. профессора, лауреата Государственной премии Дьякова Валерия Михайловича. Но, надо сказать, что эта элитная косметика не всем доступна и по её ограниченности и, будем откровенны, по цене. Поэтому, собственно, мы и взялись за эту интересную работу, чтобы и самим, конечно же, иметь в своём арсенале, средство, сохраняющее молодость кожи на долгие годы.

В заключение хочется сказать о тех исследованиях, которые уже начаты нами в рамках работы профильной лаборатории в этом учебном году. Это оценка качества воды водоёма-охладителя БГРЭС-1, а также рек, протекающих по территории города Шарыпово. Другое направление – исследование уровня загрязнения почвы, подверженной влиянию станций технического обслуживания, автомоек, автозаправочных станций. Третье направление – уровень загрязнения токсикантами грибов, ягод, произрастающих вдоль автострад в сравнении с контрольными образцами из относительно экологически-чистых зон Шарыповского района.

Литература.

1. И.В. Лютикова, В.А. Колычев, Е.В. Кустова, Л.Н. Храмченко Профильное образование: опыт, находки, проблемы //Сборник материалов - Красноярск, 2004 г.
2. О.Г.Морозова, С.В. Морозов Химия окружающей среды: Учеб.пособие – Красноярск, 2002г.
3. М.А. Пашкова Гидрохимия. Эколого-токсикологические аспекты загрязнения водных экосистем: Учеб.пособие / М.А.Пашкова, Н.В.Цугленок, О.Г. Морозова, В.В.Матюшев, Н.С.Веселкова, А.В.Николаев – Красноярск, 2004 г.