Интегрирование физики и биологии в сельской школе
методическая разработка по физике по теме

Введение.

     В последние десятилетия в науке наблюдаются два процесса – дифференциация и интеграция. Дифференциация довольно глубоко повлияла на школьные предметы, чего нельзя сказать об интеграции. Этот процесс слабо отражен в учебниках, задачниках и методической литературе. Образование должно быть неразрывно связано с современной наукой, и, если в науке идут интеграционные процессы, возникают смежные отрасли знания, то и в системе образования они должны найти свое отражение.

      Синтез современного естествознания осуществляется в трех направлениях:

      Раскрытие элементов биофизики, бионики и др. на уроках и во внеклассной работе показывает учащимся, как использование физических методов и физических приборов при изучении биологических объектов привело к важнейшим для человечества открытиям материальных основ наследственности и изменчивости, особенностей биосинтеза, фотосинтеза и др. Это убеждает школьников в познаваемости сложнейших процессов живой природы. Достижения в области биокибернетики, бионики и в создании искусственного интеллекта способствовали развитию электронно-вычислительной техники, робототехники. В бионике соединяются, казалось бы, далекие друг от друга отрасли человеческих знаний и практической деятельности – биология и техника. Бионика позволяет взглянуть на живую природу глазами инженера и одновременно на саму технику глазами биолога.

     Если обратиться к проблеме интеграции предметов естественнонаучного цикла, в частности физики с другими предметами, то можно заметить тесную связь физики с математикой. Она четко прослеживается в учебниках, задачниках и другой учебной литературе. Таким образом, деятельность учеников направляется на самостоятельное выявление связей физики с математикой.

    К настоящему времени разработан интегрированный курс «Физика и астрономия». Если учесть то, что физика как наука «выросла» из астрономии, и что обе дисциплины изучают одинаковые объекты природы (схема 1), то становится очевидной их тесная связь.

     Схема 1.  Основные объекты природы и как науки «поделили» мир (3, с. 4)

       На схеме 1 видим совпадение предметов изучения в курсах физики и химии. Кроме общих объектов изучения факторами, объединяющими эти дисциплины, являются общие методы получения научных знаний, единство понятийного материала и единая картина Мира.

       Снова обратимся к схеме 1, где, казалось бы, нет точек соприкосновения таких предметов  как физика и биология. Однако это не так. Иначе не возникли бы такие смежные науки как бионика и биофизика. В настоящее время физика оказывает большое влияние на развитие биологических наук, она наряду с химией объясняет многие биологические процессы в любом разделе биологии. Ядром современной естественнонаучной картины Мира является физическая картина Мира. Биология существенно дополняет и преобразует ФКМ, внося в нее обобщенные знания об особенностях протекания физико-химических процессов в биологических системах разного уровня сложности (клетках, организмах, биоценозах).

1.Теоретические основы интеграции.

1.1.Проблемы сельской школы.

      Мы живем в тяжелых условиях, когда наблюдается демографический кризис, в условиях несостоявшегося слияния города и села. Все больше населения покидает деревни и села, не находя здесь достойной работы, остается далеко не самая лучшая его часть. Экономические проблемы приводят к закрытию сельских школ или к ух упадку. В связи с этим четко вырисовываются следующие проблемы сельской малокомплектной школы.

      Проблема первая – малая наполняемость классов. Это приводит к отсутствию соревновательных моментов в мотивации обучения и постоянному прессингу, который испытывают ученики, находящиеся под постоянным контролем учителя. Ведь в классе из 30 человек ребенок выходит отвечать один раз в течение 5-6 уроков, а в маленьком классе приходится отвечать почти на каждом уроке. Это создает психологический дискомфорт для учеников, что выражается вначале в постоянном волнении, а впоследствии в полном безразличии к любой оценке учителя.

      Проблема вторая – резко отличающийся по своим возможностям и чаще всего слабый контингент учащихся. Сельская школа обязана учить всех, живущих в селе и близлежащих деревнях. С другой стороны ученики также лишены права выбора учебного заведения. В сельском малокомплектном классе ученики отличаются как по познавательным, так и по своим психофизическим возможностям. Если в городской школе есть разделение учащихся на гуманитарные, естественнонаучные классы, а также на классы коррекции, то в сельской школе это осуществить нереально. Одаренных ребят в классе может не оказаться совсем. Учащиеся с повышенным желанием учиться вынуждены получать знания в одном классе со своими слабыми сверстниками в силу причин от них независящих. Наличие способных детей в малокомплектном классе накладывает на учителя целый ряд проблем, с которыми ему часто бывает трудно справиться. В этом же классе обучаются школьники, которые не могут дойти до так называемого стандартизованного уровня образования, постоянно поднимающегося в связи с ростом темпов обучения. Хорошо, если слабоуспевающий ученик имеет нормальный уровень развития, а ведь он может иметь психологические дисбалансы. В этом заключается третья проблема сельской школы.

      Как уже говорилось, наиболее прогрессивная часть молодежи покидает деревню. Оставшийся контингент – будущие и настоящие родители наших учеников – большей частью малообразованные люди, многие подвержены влиянию алкоголя и не способны должным образом воспитывать своих детей. А ведь родители – наши помощники. Так вот в селе эта «помощь» заключается как в снижении авторитета учителя, так и  роли образования вообще. И ребенок из семьи, где родители пьют, имеет острые проблемы с умственным, физическим и психологическим развитием. Такой отстающий ученик является как бы вдвойне слабоуспевающим. К нему нужен индивидуальный подход.

       Проблема четвертая – материальная. Она заключается в слабой оснащенности учебного процесса, физически и морально устаревшем оборудовании, невозможности его приобретения. Кроме этого скудность школьной и сельской библиотек, отсутствие сети интернет не дают возможности расширять кругозор сильным учащимся, которые впоследствии теряют свой статус и опускаются на уровень ниже.

       Эти и другие проблемы сельской школы можно разделить на две составляющие: для учащихся – отсутствие социальной и идеологической мотивации обучения, их невысокий уровень развития; для учителей – трудности дифференцированного  и индивидуального подхода к ученикам в силу большого объема работы (разные предметы, нет параллелей).  

 1.2.Теория межпредметных связей.

1.2.1.Межпредметные связи как принцип обучения.

     Межпредметные связи способствуют реализации требований, предъявляемых современной школе. Они активизируют познавательную деятельность учащихся, побуждают  мыслительную активность в процессе переноса, синтеза и обобщения знаний из разных предметов. Изучая живой организм, следует всегда помнить, что механические, физические и химические процессы в нем взаимосвязаны и что изменение одних неизбежно ведет к изменению других и организма в целом. В то же время биологические процессы зависят от физико-химических процессов, от воздействия на него физических и химических факторов среды. С другой стороны, изучая физические понятия, явления и процессы, также необходимо рассматривать их проявления в органическом мире, и показывать, что законы физики действуют как в неживой, так и в живой природе. Применение физических приборов на лабораторно-практических занятиях по биологии усиливает возможности поисковой учебно-познавательной деятельности учащихся.

1.2.2.Виды межпредметных связей.

       Межпредметность – это современный принцип обучения, обеспечивающий единство учебно-воспитательного процесса. Межпредметные связи успешно реализуются тогда, когда осуществляются во всем многообразии их видов. Различают связи внутрицикловые и межцикловые, и те и другие делятся на группы, исходя из              их содержания, методов и форм организации.

Схема 2.Виды межпредметных связей

                                                                    (По способу                        (По хронологии

                                                             усвоения связей)                изучения)    

      Фактические межпредметные связи – это использование общих  фактов, изучаемых в курсе физики, химии, биологии и их рассмотрение с целью обобщения знаний об отдельных явлениях, процессах и объектах природы.

  Понятийные межпредметные связи – это формирование понятий, общих для родственных предметов, таких как тело, вещество, состав, молекула, явление, процесс, энергия и др.

        Теоретические межпредметные связи – это развитие основных положений, законов и теорий, изучаемых на уроках по родственным предметам, с целью усвоения учащимися целостной теории.  

1.2.3.Функции межпредметных связей.

        «Законом об образовании предусмотрена существенная реорганизация всей системы школьного образования, в том числе и физического», - читаем мы на первых страницах сборника программ по физике за 2001 год(12, с.3). Реформа школы требует ориентировать учебный процесс на удовлетворение потребностей, интересов и способностей школьников. Межпредметные связи способствуют реализации этих требований в обучении физики.

   Межпредметные  связи выполняют в обучении ряд функций:

      * Методологическая (формирование системного подхода к познанию природы);

      *Образовательная (формирование системности, глубины, осознанности и                                  гибкости знаний учащихся);

       *Развивающая (развитие творческого мышления учащихся, преодоление инертности мышления, расширение их кругозора);

       *Воспитывающая;

       *Конструктивная (учитель совершенствует содержание учебного материала, методы и формы организации обучения).

1.2.4.Комплексные формы организации обучения и контроля.

     Наиболее полно можно реализовать межпредметные связи, используя комплексные формы организации обучения. Компексными являются такие формы, которые:

решают одновременно задачи образования, развития и воспитания, общие для ряда предметов;

требуют применения знаний из нескольких учебных предметов;

включают методы, приемы и средства обучения, свойственные ряду предметов.

     Комплексные формы организации обучения могут быть индивидуальными, групповыми и коллективными. Эффективным средством контроля и оценки влияния межпредметных связей на усвоение знаний и умений учащихся являются межпредметные самостоятельные работы и зачеты, проводимые по связанным между собой вопросам и темам.

1.3.Обзор интегрированных курсов.

     Ознакомившись с ныне существующими  курсами, объединяющими физику с одним или несколькими учебными предметами, приведем краткое описание некоторых из них.

Курс «Физика и астрономия» (7-9кл.)

     Авторы программы Ю.И.Дик, А.А.Пинский. Программа реализована в учебниках «Физика и астрономия» под редакцией А.А.Пинского для 7,8,9 классов общеобразовательных учреждений. В настоящее время курс становится базовым и призван обеспечить систему фундаментальных знаний основ физической науки и ее применений для всех учащихся. (Лит.)

     Курс «Физика и астрономия» должен решить следующие задачи:

ознакомить учащихся с основами физической науки (понятия, законы, теории);

сформировать основы естественнонаучной картины Мира;

ознакомить с основными применениями физических законов;

ознакомить с методами научного исследования;

формировать умение выдвигать гипотезы, строить логические умозаключения;

обеспечить основу для изучения других естественных наук.

Данный учебник в сравнении с традиционными учебниками физики для 7-9 классов более информативен, знакомит как с физическими, так и с астрономическими явлениями, много внимания уделяет эксперименту. В учебнике также отражены наиболее важные исторические моменты общечеловеческой культуры в Древности, что важно для формирования широкого взгляда на окружающий мир. Для учащихся 12-15 лет естественен интерес к космическим проблемам, поэтому курс «Физика и астрономия» при условии использования доступного материала способен решить одну из самых важных проблем обучения – проблему повышения мотивации в преподавании физики и астрономии.

Интегрированный курс «Физика и химия»

Составители концепции, учебной программы и методических рекомендаций Ватлина Л.П.  и Сандина И.В.

Курс разработан для 10-11 классов гуманитарного профиля.

Интегрированный курс физики и химии ставит своей основной целью познавательное, нравственное и эмоциональное развитие личности и формирование у учащихся на основе изучения данных предметов научного мировоззрения и современной научной картины Мира.

Основные задачи курса:

познакомить с научным методом познания и содействовать освоению его основных позиций;

дать представление об основных и фундаментальных законах физики и химии;

развивать: интерес к окружающему миру, его явлениям; умение объяснять эти явления с научных позиций;

способствовать интегрированию научных представлений в области физики и химии в единую картину Мира, в которой наука и искусство выступают как дополняющие друг друга способы познания.

Изложение и усвоение уже изученных на базовом уровне тем происходит на ином, обобщающем уровне, что позволяет проводить систематизацию явлений и законов, обобщать способы и методы познания. Курс также призван выполнять и воспитывающие функции – формировать естественнонаучное мировоззрение, развивать культуру мышления, любовь и способность к познанию. Большое внимание уделяется историческому содержанию, меньшее – математическому оформлению. Дается рекомендация показать учащимся, как изучаемые законы могут стать путеводной нитью в объяснении повседневных явлений, с которыми сталкиваются учащиеся в своей жизни.

Пропедевтический курс «Мир знаний: Физика» (5-6 кл.)

Авторы программы Ю.И.Дик, Г.Г.Никифоров, Е.М.Шулежко.

     На таком раннем этапе обучения ставится задача сформировать представления о явлениях и законах окружающего мира, с которыми школьники сталкиваются в повседневной жизни. Формируются первоначальные представления о научном методе познания, развиваются способности к исследованию, умение наблюдать явления природы, планировать и проводить опыты. Очень важным является то, что в курсе  кроме лабораторных работ предусмотрено большое количество экспериментальных заданий для выполнения в классе и дома. Большое внимание уделяется вопросам математики. Закрепляются измерительные навыки, повторяются методы решения уравнений, расчет площади, объема и т.д. Все это позволяет усилить прикладное значение математики и иллюстрировать математические законы конкретными примерами. Учитываются также возрастные особенности учащихся 11-12 лет. Для них учебная тетрадь соединена с учебными текстами. Ведь дети этого возраста медленно пишут и читают, но быстро думают, фантазируют, изобретают.

Курс «Естествознание» (10-11 кл.)

          Авторы программы Ю.И.Дик, В.А.Коровин, В.А.Орлов, Н.К.Ханнанов.  

     Курс разработан для школ гуманитарного профиля. В нем авторы попытались удовлетворить требованиям минимумов содержания среднего

9образования по биологии, физике и химии. Отработаны темы, которые рассматриваются в программах трех школьных курсов, а также в дисциплинах, возникших на стыках наук (биохимия, биофизика, молекулярная биология, физическая химия, астрофизика, экология и др.) Особенно ценным является то, что при этом снимаются извечные проблемы стыковки последовательности преподавания некоторых вопросов в разных курсах. В 10 классе в едином ключе рассмотрены различные вопросы, такие как:

    - строение Вселенной (Ф,А);

    - атомно-молекулярное строение вещества (Ф,Х);

    - связь электронного строения с физическими и химическими свойствами  вещества (Ф,Х);

    - клеточное строение живых организмов и принципиальное отличие живого от неживого (Б,Х,Ф);

    - способы кодирования и хранения информации в литературе, химии, компьютерной технике и живом организме (Л,Х,Инф,Б).

     В курс 11 класса выносится рассмотрение глобальных проблем, которые пронизывают курсы естественнонаучного цикла.

Схема 3.       Глобальные проблемы современности.

Проект «Физика, окружающая среда, человек»

           Данный эксперимент был разработан и проводился в рамках международного проекта «Проблемы повышения мотивации при изучении естественнонаучных дисциплин» на базе общеобразовательной школы №225 г.Санкт-Петербург.

     Цель проекта «Физика, окружающая среда, человек» - использование естественного познавательного интереса для создания видов общеобразовательной деятельности учеников, направленных на повышение мотивации изучения физики и выработку исследовательских умений.

     В ходе эксперимента решались следующие вопросы. Какие технологии предпочтительней использовать в работе с учениками (11 кл.)? Практика показывает, что хорошим фактором, стимулирующим интерес школьников, является посещение вузов. Это объясняется хорошей материальной базой, атмосферой вуза, демократической формой общения.  

      Далее решался вопрос, в какой форме проводить факультативные занятия. Так акцент был сделан на эксперимент. То есть факультативные занятия проводились в форме лабораторных работ, решения экспериментальных задач, постановки демонстрационного эксперимента. Работа может проводиться в парах и в малых группах

Таким образом наличие элементов исследования,  возможность организации дискуссии в малой группе способствуют развитию мышления учащихся, более глубокому пониманию взаимосвязи изучаемых явлений.(Проб мотив стр) В основу организации малых групп был положен принцип самоорганизации. В ходе групповой деятельности школьники обучаются работе в коллективе, умению слушать друг друга, у них повышается ответственность за результат коллективного дела. В ходе презентации результатов работы группы учащиеся получают опыт публичного выступления.

       В процессе изучения материалов данного проекта нами были выделены его положительные стороны и те инновационные методы обучения естественнонаучным дисциплинам, которые реально использовать в сельской малокомплектной школе. Из всего вышесказанного мы сделали для себя вывод о возможности в ходе интеграции курсов физики и биологии использовать такой инновационный метод обучения, как работа в малых группах. Мы также согласны и давно придерживаемся точки зрения авторов проекта о том, что самой эффективной формой работы на уроках естественных дисциплин является эксперимент. Отличие сельской школы от городской заключатся в малом числе учащихся в классе, их слабой подготовке и удаленности школы от вузов. Поэтому осуществить подобную связь школы с вузом оказывается довольно сложной  и не всегда осуществимой задачей. Однако вполне реально и педагогически обосновано разбиение класса из 6-15 человек на 2-4 группы. Такое количество единиц лабораторного оборудования найдется в любой сельской школе.

     Опыт данной работы оказался для нас очень полезным, и, составляя свою программу интеграции, мы постарались его учесть.

Курс «Исследовательская деятельность»(8-11)

Пропедевтический курс «Окружающий мир»(5-7)

     Авторы проекта Горбунов П.С., Щелкунов И.В.  

     РГПУ им. А.И.Герцена г.Санкт-Петербург.

     Естественнонаучное образование в лицее №229 открывается пропедевтическим курсом «Окружающий мир». Основной идеей курса является согласованность предметов естественного цикла на основе экспериментального метода. Составлены согласованные программы по биологии, химии, физике для 5-7 классов. Согласование предметов достигается как сознательно запланированное взаимодействие школьных дисциплин через межпредметные связи. Основой для согласования служит научный метод познания (наблюдения, описания, опыт, измерения), который используют все естественные науки.

     Цели и задачи курса «Окружающий мир»:

Пробудить и поддержать интерес к познанию природы, опираясь на естественное стремление младших школьников разобраться в многообразии природных явлений.

Сформировать и развить важнейшие мыслительные операции, которые являются неотъемлемой частью любой творческой деятельности.

Научить школьников наблюдать и описывать явления окружающего мира.

Заложить основу для систематического изучения курса биологии, химии, физики.

Большая часть учебного времени отводится на лабораторные и практические работы. Ребята учатся планировать и проводить опыты, формулировать цели эксперимента и делать выводы. Пропедевтический курс является очень важным звеном в обучении,  без него у учащихся обычно возникают затруднения. Наблюдения за школьниками показывают, что именно в младшем школьном возрасте разнообразные явления природы вызывают у них самый живой и неподдельный интерес. Именно в этом возрасте ребенку интересно постигать мир, экспериментируя. Учащиеся гораздо раньше готовы активно исследовать окружающий мир и понимать явления природы, чем мы привыкли о них думать. В младшем возрасте учащиеся, имея цепкую «незагруженную» память, постигают многие явления через чувства, что приводит к быстрому накоплению знаний.

      Курс «Исследовательская деятельность» является новой образовательной технологией, предназначен для лицейских классов, обучающихся по углубленным программам в системе согласованного обучения.

Цели и задачи:

    -формирование исследовательской культуры учащихся;

    -повышение мотивации к образованию;

    -активизация процесса образования и самообразования;

    -развитие комплексов навыков и умений, необходимых для научно-исследовательской работы;

    -расширение социального опыта учащихся.

     Курс «Исследовательская деятельность», моделируя процесс научного исследования, изменяет позицию ученика, делает его из потребителя знаний активного участника образовательного процесса. Изменяется стиль взаимоотношений учителя и ученика. Учитель перестает быть контролером, а выступает как партнер, единомышленник. Учитель и ученик становятся сотрудниками, выполняющими общую работу.

Возможные темы самостоятельных исследований:

Влияние сока алоэ на прорастание семян овощных культур.

Влияние излучения телевизора (компьютера) на рост зерновых культур.

Сравнение эффективности моющих средств.

Расход электроэнергии дома.

Влияние погодных условий на состояние человека.

Влияние фаз Луны на прорастание семян.

Влияние сосудов пирамидальной формы на рост рассады овощных культур.

Дисперсионные свойства красителей.

Уровень радиационного фона в жилых домах.

        10. Влияние температуры на рост мальков аквариумных рыб.

1.4. Роль задач с физико-биологическим содержанием при обучении физике.

     Наиболее эффективным средством обучения служат межпредметные познавательные задачи, для решения которых требуется привлечение знаний из нескольких предметов, их перенос и обобщение. Такие задачи способствуют росту самостоятельности учащихся в осуществлении межпредметных связей, умению обобщать знания из разных предметов при изучении общих объектов и вопросов. Межпредметные задачи могут быть направлены на достижение разных познавательных целей:

  1) объяснение причинно-следственных связей процессов и явлений;

  2) введение новых понятий с опорой на ранее известные из других предметов понятия;

  3) конкретизация более общих понятий, принципов и закономерностей (например, «Как проявляется общий для всей природы закон сохранения энергии в теплорегуляции организма»);

  4)создания целостного представления о сложных физических и биологических процессах и явлениях.

     Мы решили выяснить, какая роль отводится задачам с физико-биологическим содержанием авторами наиболее популярных сборников задач по физике. Мы исходили из того, что задачи межпредметного содержания - это  задачи, содержание и процесс решения которых интегрируют структурные элементы знаний, изучаемых на занятиях по этим двум дисциплинам. Мы проанализировали задачи из наиболее популярных сборников и представили результат в виде таблицы.

    Таблица 1. Задачи с межпредметными связями.

    Как видно из приведенной нами таблицы, в задачниках мало внимания уделяется межпредметным связям. На наш взгляд особенно важно для всестороннего развития ребенка использование задач с реальными процессами и данными. Мы решили подобрать задачи с физико-биологическим содержанием из менее известных источников и составить небольшой сборник задач (Приложение 3).

                        1.5. Предлагаемая программа интеграции

Цели и задачи нашей программы интеграции:

- пробудить и поддержать интерес к изучению физики и биологии на основе познания природы;

- научить школьников наблюдать и описывать явления окружающего мира, выдвигать гипотезы, делать выводы;

- сформировать основы естественнонаучной картины мира;

- ознакомить с основными проявлениями физических законов в природе.

1.5.1.Как решаются проблемы сельской школы с помощью интеграции предметов.

     Психологический прессинг, который испытывают учащиеся на уроке, преодолевается путем создания комфортных условий обучения. Добиться этого можно с помощью создания малых групп, в которых ребята выполняют ту работу, которую выбрали и отвечают  задание, подготовленное на уроке или дома. Комфортность обеспечивается так же интересом к предмету или к выполняемой в данный момент работе. Задания должны быть доступными, тогда учащиеся получат от их выполнения удовлетворение. Такая самореализация на уроке крайне необходима. Мы предлагаем проводить интегрированные уроки 4 раза в год, используя нестандартные методы обучения и инновационные приемы. Уже в начале урока или при его подготовке ребята проявляют интерес к нему как к чему-то необычному. В течения занятия интерес обычно поддерживается за счет новизны, занимательности и актуальности решаемых вопросов. Разница в способностях и уровне подготовки учащихся на этом уроке будут играть позитивную роль. В группах, подобранных из ребят с разными возможностями сильные будут играть роль направляющих, а слабые потянуться за ними. Другой вариант составления групп по способностям, тогда все получают соответствующее своим возможностям задание. В таком случае происходит самореализация у всех участников урока, так как каждый выполняет посильное задание. Инициатива слабых, робких, застенчивых не подавляется сильными. Оставленные наедине с проблемами, они будут вынуждены их решать.

1.5.2.Программный материал.

     После изучения опорных тем из программ и учебников по физике (программа Е.М.Гутник) и биологии (программа В.В.Пасечника) нами было составлено тематическое планирование межпредметных связей, намечено проведение интегрированных уроков в 7, 8 и 9 классах; внеклассных мероприятий смежного характера на предстоящий учебный год.

     Таблица 2. Тематическое планирование интегрированных уроков физики и биологии.