Методологические и содержательные основы преемственности физики, химии, биологии при формировании фундаментальных естественно-научных понятий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 13.00.02, доктор педагогических наук Похлебаев, Сергей Михайлович

• Похлебаев, Сергей Михайлович
• доктор педагогических наук
• 2007

Оглавление диссертации доктор педагогических наук Похлебаев, Сергей Михайлович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИКО-МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРЕЕМСТВЕННОСТИ ФИЗИКИ, ХИМИИ, БИОЛОГИИ В УСЛОВИЯХ МЕЖПРЕДМЕТНЫХ СВЯЗЕЙ.

1.1. Диалектический материализм - методология современного научного познания.

1.2. Системно-синергетический подход как методологическая основа формирования фундаментальных естественнонаучных понятий.

1.3. Деятельностный подход как теоретико-методологическая стратегия формирования фундаментальных естественнонаучных понятий в условиях межпредметных связей физики, химии, биологии.

1.4. Методологическая роль понятия преемственности в формировании фундаментальных естественнонаучных понятий.

1.5. Интеграция естественнонаучного образования - важнейший фактор формирования фундаментальных естественнонаучных понятий.

1.6. Принцип межпредметных связей и его роль в формировании естественнонаучных понятий.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

ГЛАВА 2. ОБРАЗНО-ЗНАКОВЫЕ МОДЕЛИ КАК СРЕДСТВО ФОРМИРОВАНИЯ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО МЫШЛЕНИЯ В УСЛОВИЯХ РЕАЛИЗАЦИИ МЕЖПРЕДМЕТНЫХ СВЯЗЕЙ ФИЗИКИ, ХИМИИ И БИОЛОГИИ. мышления. 34/

2.4. Теоретико-методологические основы развития понятия «информа

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

ГЛАВА 3. СОДЕРЖАТЕЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ПРЕЕМСТВЕННОСТИ КУРСОВ ФИЗИКИ, ХИМИИ И БИОЛОГИИ В УСЛОВИЯХ МЕЖПРЕДМЕТНЫХ СВЯЗЕЙ.

3.1. Методологическая роль понятий «форма и содержание» в курсах физики, химии и биологии.

3.2. Функциональный подход - важнейшая методология изучения физических, химических и биологических явлений.

3.3. Преемственность в формировании и развитии фундаментальных естественнонаучных понятий «диффузия» и «энергия» в процессе изучения физики, химии и биологии.

3.4. Электронная теория как фундаментальная методология изучения биологических систем и формирования естественнонаучного мышления.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

ГЛАВА 4. МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФОРМИРОВАНИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫХ ПОНЯТИЙ.

4.1. Методика формирования и развития понятия «окислительно-восстановительная реакция» в курсах химии и биологии.

4.2. Роль исторического и системного подходов при формировании понятия «обмен веществ».

4.3 Развитие фундаментальных естественнонаучных понятий «вещество» и «энергия» в физике, химии и биологии.

4.4. Роль межпредметных связей физики, химии и биологии в формировании физиологических понятий «фотосинтез» и «дыхание».

4.5. Способы, средства и формы учебных занятий, способствующие формированию естественнонаучных понятий в условиях межпредметных связей физики, химии и биологии.

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методологические и содержательные основы преемственности физики, химии, биологии при формировании фундаментальных естественно-научных понятий»

Главной целью российской образовательной политики в настоящее время является обеспечение современного качества образования на основе сохранения его фундаментальности и соответствия актуальным и перспективным потребностям личности, общества и государства. Это положение зафиксировано в Концепции модернизации российского образования на период до 2010 года, утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации № 1756-Р от 29 декабря 2001 г. Модернизация общеобразовательной школы, которая является базовым звеном, предполагает ориентацию образования не только на усвоение обучающимися определенной суммы знаний, но и на развитие его личности, его познавательных и созидательных способностей. Современная общеобразовательная школа должна формировать целостную систему универсальных знаний, умений, навыков, а также опыт самостоятельной деятельности и личной ответственности обучающихся, то есть ключевые компетенции, определяющие современное качество содержания образования. При этом рекомендуется использовать богатейший опыт российской и советской школы и сохранить лучшие традиции отечественного естественнонаучного образования.

Стратегические направления модернизации общеобразовательной школы касаются, прежде всего, естественнонаучного образования в силу того, что именно эта область человеческих знаний в основном определяет темпы научно-технического развития любого государства и его статус на мировой арене. Новое качество естественнонаучного образования может быть обеспечено лишь на основе современных обобщенных знаний, умений и навыков, которые формируются в процессе различных видов учебно-познавательной деятельности учащихся, а впоследствии превращаются в универсальную систему познания и деятельности будущих специалистов. Это возможно лишь на базе принципиально новой системы обучения, результатом которой должны быть такие психические новообразования, как системные предметные и метапредметные знания, обобщенные экспериментальные умения и навыки, необходимые не только для решения традиционных задач, региональных проблем, но и глобальных, которые могут быть решены в результате сотрудничества в рамках международного сообщества. Только на этой основе можно сформировать теоретическое естественнонаучное мышление, которое является основным критерием качества естественнонаучных знаний.

Особо острые проблемы имеют место в образовательной области «Естествознание». В соответствии с ныне действующим базисным учебным планом (БУП) биология, как учебная дисциплина, начинает изучаться в основной школе без опоры на физические и химические знания в VI классе. Такая практика крайне негативно сказывается не только на формировании биологического мышления учащихся, но и естественнонаучного мышления в целом. При таком подходе нарушается диалектическая связь, преемственность между структурными компонентами физических, химических и биологических знаний, а принцип межпредметных связей только декларируется или используется эпизодически.

Решение большого груза проблем, накопившегося в образовательных областях физики, химии, биологии, возможно только на основе фундаментальной перестройки всего естественнонаучного образования. Таких основных направлений два. Первое направление связано с реализацией концепции, разработанной академиком А.Г. Хрипковой, согласно которой начальное изучение предметов естественнонаучного цикла начинается с курса «Естествознание» в V классе. При таком подходе пропедевтические знания учащихся о фундаментальных законах природы остаются на уровне усвоения явлений. Второе направление реализуется в рамках концепции естественнонаучного образования, разработанной академиком A.B. Усовой, которая предлагает начинать изучение предметов естественнонаучного цикла с опережающего курса физики. Вслед за физикой изучается химия, география и биология. Систематизация и обобщение естественнонаучных знаний предлагается в старших классах в рамках интегративного курса «Естествознание» (однако этот курс не заменяет физику, химию и биологию в старших классах). Опережающее изучение физики позволяет получить знания на теоретическом уровне и использовать их для объяснения сущности химических явлений и закономерностей. В свою очередь изначальные физические и химические знания позволяют раскрыть сущность биологических явлений, протекающих в живой природе. Таким образом, появляется возможность отразить в школьном образовании преемственность, взаимосвязь и взаимозависимость естественных наук, диалектику их развития и взаимодействия.

Достижение поставленной цели, требующей существенного повышения качества естественнонаучной подготовки выпускников школ, может быть обеспечено лишь при комплексном решении целого ряда конкретных проблем, накопившихся к настоящему времени. Одной из них является проблема методологических и содержательных основ преемственности физики, химии, биологи. В образовательной области естествознания общефилософский принцип преемственности реализуется через межпредметные связи (МПС) курсов физики, химии, биологии, которые определяют стратегию и логику формирования фундаментальных естественнонаучных понятий и изучения законов и теорий, общих для цикла естественных наук.

Теоретические основы МПС были заложены в исследованиях таких видных ученых-педагогов, как Ян Амос Коменский, К.Д. Ушинский, Н.К. Крупская и многие другие. Наряду с теоретическими обоснованиями, ведущие советские педагоги М.А. Данилов, Б.П. Есипов и Э.И. Моносзон дали конкретные практические рекомендации по углублению и расширению взаимосвязи учебных предметов в школе и изучаемых специальных дисциплин в вузе. К зарубежным классикам, активно работающим в этой области, следует отнести, прежде всего, Джона Локка, И. Гербарта, А. Дистерверга, Дж. Дьюи.

В настоящее время идеи МПС получили свое дальнейшее развитие в работах М.Н. Берулавы, Г.А. Берулавы, A.A. Боброва, Г.Г. Гранатова,

H.B. Груздевой, А.И. Гурьева, B.C. Елагиной, Д.И. Зверева, В.Р. Ильченко, Ц.Б. Кац, Д.Н. Кирюшкина, H.A. Лошкаревой, В.Н. Максимовой, A.B. Петрова, М.Ж. Симоновой, М.Н. Скаткина, С.А. Старченко, H.H. Тулькибаевой, A.B. Усовой, В.Н. Федоровой, O.A. Яворука, В.Н. Янцена и других. В этих фундаментальных исследованиях проблема МПС рассматривается как на теоретико-методологическом, так и методическом уровне.

Новый уровень интеграции наук диктует необходимость более тесной преемственности между курсами физики, химии, биологии и ее реализации посредством МПС на теоретическом уровне. Это будет способствовать более глубокому пониманию учащимися единства материи, форм ее движения, а также общих законов развития материального мира. Только на таком фундаменте возможно целенаправленное формирование современного научного мировоззрения, развитие диалектического системного мышления, умения обобщать знания из разных предметов. Именно эти интеллектуальные способности смогут обеспечить творческое отношение к труду и позволят решить насущные проблемы практики, требующие синтеза знаний из разных предметных областей. Межпредметные связи повышают также политехническую и экологическую направленность.

Проведенный нами анализ научно-методической литературы по проблеме преемственности методологических и содержательных основ физики, химии, биологии и ее решение в процессе реализации МПС в школьной педагогической практике позволил сделать заключение о том, что в выполненных работах рассматриваются либо общие проблемы МПС, либо межпредметные связи конкретного учебного предмета (физики, химии, биологии, математики и т.д.) с каким-либо другим родственным предметом. Однако работ, в которых исследовалась бы теория и практика осуществления МПС какого-либо учебного предмета с циклом учебных дисциплин, например биологии с физикой и химией, недостаточно. При этом следует подчеркнуть, что в настоящее время в комплексных исследованиях МПС физики, химии, биологии не уделяется должного внимания методологическим и содержательным основам преемственности.

В контексте вышесказанного приобретает особую актуальность исследование методологических и содержательных основ преемственности школьных курсов физики, химии, биологии, изучающих основные формы движения материи естественной природы в условиях МПС. Углубление методологических, содержательных и деятелъностных (процессуальных) связей между этими дисциплинами с учетом последних достижений соответствующих наук позволит вывести эти связи на теоретический уровень обобщенности и обеспечить формирование у школьников современного естественнонаучного мышления.

В своем исследовании мы выделяем следующие направления реализации межпредметных связей, требующие разработки в условиях стандартизации и модернизации образования:

- научное обоснование новой последовательности изучения предметов естественного цикла: физика, химия, биология, - вместо традиционного: биология, физика, химия;

- пересмотр содержания учебных предметов, прежде всего биологии, с учетом новейших достижений биологической науки (молекулярной биологии), отражение в содержании учебного предмета роли физических и химических процессов в жизнедеятельности организмов;

- определение фундаментальных понятий, законов, теорий, общих для всех предметов естественного цикла, последовательности в раскрытии их содержания;

- обеспечение единства интерпретации общих понятий, законов, теорий с учетом своеобразия оперирования ими в каждом из учебных предметов в соответствии со спецификой изучаемых структурных форм организации материи и движения;

- обеспечение преемственности в формировании и развитии фундаментальных естественнонаучных понятий и общих учебно-познавательных умений;

- разработка методических руководств, приемов и средств реализации МПС в условиях развивающего обучения;

- разработка эффективных форм повышения квалификации учителей, участвующих в эксперименте.

Общими фундаментальными понятиями для цикла естественнонаучных дисциплин, которые развиваются на протяжении всего периода изучения физики, химии, биологии и географии в школе, являются такие, как «материя», «движение», «взаимодействие», «отражение» («информация»), «формы движения», «вещество», «поле», «масса», «энергия», «диффузия», и др. Среди них главным - по мнению Г.А. Берулава, М.Д. Даммер и A.B. Усовой, - является понятие «вещество». Формирование понятия «вещество» в предметах естественного цикла должно идти параллельно с формированием понятия «энергия», так как в процессе превращения вещества происходит и превращение энергии. Важную роль в превращении вещества и энергии играет явление диффузии, которое следует считать конкретным случаем проявления фундаментальной формы движения материи - физической, определяющей развитие всех остальных форм движения материи и сохраняющейся в них в качестве исходной. Проявление диффузии имеет место на всех уровнях организации природных систем на нашей планете, начиная с уровня элементарных частиц и заканчивая геосферой.

Мерой организации любой природной системы является информация, как отраженное разнообразие, которое фиксируется, закрепляется в виде «формы», позволяющей выявить специфические качества нового объекта по сравнению с предшествующими. Поэтому понятия «информация» и «форма» являются фундаментальными категориями естествознания; они должны быть постоянно в поле зрения педагогов и наполняться конкретным содержанием при изучении предметов естественнонаучного цикла.

Таким образом, обозначенные нами понятия «вещество», «энергия», «информация», «диффузия» и «форма» являются конкретизацией атрибутов материи движения, взаимодействия, отражения, что позволяет их выделить в особую группу фундаментальных взаимосвязанных естественнонаучных понятий и на этой основе разработать методологические и содержательные основы преемственности физики, химии, биологии в условиях МПС. Реализация этой концептуальной идеи будет способствовать обеспечению формирования у учащихся теоретических знаний и естественнонаучного мышления.

Выделенные нами фундаментальные естественнонаучные понятия являются категориальным аппаратом законов {сохранения массы, энергии, электрического заряда, законов термодинамики др.) и теорий {электронная теория вещества и квантовая теория света и др.), общих для дисциплин естественнонаучного цикла.

На наш взгляд, формирование фундаментальных естественнонаучных понятий в условиях реализации МПС физики, химии и биологии возможно только на основе деятельностного подхода, широко применяемого в научном познании психологами и педагогами. По мнению С.Л. Рубинштейна, одной из актуальных проблем современной психологии является «преодоление абстрактного функционализма и переход к изучению психики, сознания в конкретной деятельности, в которой они не только проявляются, но и формируются». Деятельностный подход позволяет рассмотреть особенности деятельности преподавателя и учащихся, их взаимодействие в процессе осуществления МПС смежных предметов естественного цикла.

Анализ психолого-педагогической и методической литературы, а также результаты педагогического эксперимента позволяют констатировать, что, несмотря на то, что проблема МПС теоретически исследована довольно глубоко, в школьной практике и у учителей, и учащихся существуют значительные трудности в их установлении, особенно при формировании фундаментальных естественнонаучных понятий.

На наш взгляд, качественно новый уровень формирования выделенных нами понятий в курсах физики, химии и биологии в основной школе возможен на основе Новой концепции естественнонаучного образования, и разработанной в ее рамках Современной концепции биологического образования которые обеспечивают методологические, содержательные и деятельностные связи между естественнонаучными предметами на теоретическом уровне.

Проведенный нами теоретический анализ состояния проблемы преемственности курсов физики, химии, биологии позволил выявить ряд противоречий:

- между естественным ходом развития форм движения материи (их генетической связью), закономерность которой подтверждена ходом развития и взаимосвязи естественных наук, и искажением этой закономерности в базисном учебном плане школы;

- между необходимостью формирования фундаментальных понятий на теоретическом уровне в связи с более глубоким уровнем исследования объектов и явлений природы на основе интеграции и взаимопроникновения естественных наук и их усвоением учащимися основной школы на эмпирическом уровне;

- между необходимостью формирования у учащихся целостного взгляда на природу и разрозненностью знаний учащихся по предметам естественнонаучного цикла, связанной с невозможностью раскрыть перед учащимися преемственность физических, химических и биологических явлений в природе, общность фундаментальных естественнонаучных понятий, законов, теорий, методов исследования при существующем содержании и последовательности изучения предметов естественнонаучного цикла в школе;

- между необходимостью использования единого подхода к формированию фундаментальных естественнонаучных понятий «вещество», «энергия», «диффузия», «информация» и «форма», являющихся понятийным скелетом естествознания, установления связей между ними и относительно слабой разработанностью способов и средств осуществления МПС в процессе их формирования у учащихся школы при изучении физики, химии и биологии в условиях стандартизации образования;

- между стремительным ростом объема информации и ограниченными возможностями школьников по ее усвоению;

- между высоким уровнем развития философских, общенаучных знаний и слабым их использованием в качестве методологий при изучении предметов естественного цикла;

- между уровнем понимания сущности физических и химических методов, понятий, законов, теорий, необходимым для раскрытия биологических явлений, и низким уровнем подготовки большинства учителей по смежным предметам;

- между традиционными методами и формами организации деятельности учащихся, направленной на эмпирическое усвоение понятий, и требованиями новой образовательной парадигмы, предусматривающей использование методов теоретического поиска, позволяющих формировать фундаментальные естественнонаучные понятия на теоретическом уровне;

- между необходимостью формирования у учащихся современного научного (теоретического) стиля мышления и отсутствием соответствующего методико-дидактического обеспечения.

Таким образом, актуальность данного исследования обусловлена, во-первых, современными тенденциями развития школьного естественнонаучного образования; во-вторых, огромными потенциальными возможностями преемственности предметов естественного цикла в условиях МПС при формировании у учащихся теоретического естественнонаучного мышления; в-третьих, неразработанностью методологических и содержательных основ преемственности физики, химии и биологии в формировании фундаментальных естественнонаучных понятий; в-четвертых, недостаточной разработанностью методико-дидактического обеспечения данной проблемы.

На основании изучения и анализа имеющихся в науке исследований, обобщения эффективного педагогического опыта, собственных результатов работы была сформулирована проблема исследования, определяющаяся противоречием, с одной стороны, между возросшими требованиями к качеству естественнонаучного образования на основе сохранения его фундаментальности и необходимости совершенствования процесса формирования фундаментальных естественнонаучных понятий в условиях преемственности физики, химии и биологии, а с другой - недостаточной теоретико-методологической и методико-дидактической разработанностью концептуальных основ их формирования у учащихся основной школы в рамках Новой концепции естественнонаучного образования, которые бы позволили довести усвоение фундаментальных естественнонаучных понятий до теоретического уровня.

Важность и актуальность рассматриваемой проблемы послужили основанием для определения темы исследования: «Методологические и содержательные основы преемственности физики, химии и биологии при формировании фундаментальных естественнонаучных понятий».

Цель исследования: обоснование и разработка методологических и содержательных основ преемственности курсов физики, химии и биологии при формировании фундаментальных естественнонаучных понятий в основной школе в рамках Новой концепции естественнонаучного образования, предусматривающей опережающее изучение физики (начиная с пятого класса) и химии (начиная с шестого класса).

Объектом исследования является целостный процесс формирования у учащихся основной школы фундаментальных естественнонаучных понятий в рамках Новой концепции естественнонаучного образования.

Предмет исследования: методологические и содержательные основы преемственности физики, химии и биологии при формировании фундаментальных естественнонаучных понятий в условиях межпредметных связей.

Гипотеза исследования: формирование у учащихся основной школы фундаментальных естественнонаучных понятий на теоретическом уровне будет результативно, если:

1) концепция естественнонаучного образования будет отражать генетическую связь форм движения материи, которая подтверждена историческим ходом развития естественных наук;

2) всеобщие методологии (диалектический материализм и формальнологические методы) будут конкретизированы и использованы как средства познания и установления преемственности, логической взаимосвязи, иерархичности общенаучных методологий (системно-синергетический метод, метод моделирования и др.), отраслевых, частнонаучных методологий а также фундаментальных понятий, законов и теорий общих, курсов физики, химии и биологии;

3) системообразующим фактором естественнонаучного образования будут выступать фундаментальные естественнонаучные понятия;

4) методологические и содержательные основы школьного естественнонаучного образования будут разработаны в соответствии с современными достижениями философии, психологии, педагогики, методики, а также физической и химической науки, их понятиями, законами и теориями;

5) процесс формирования фундаментальных естественнонаучных понятий, законов, теорий и методов познания объективной реальности у учащихся основной школы будет осуществлен на основе принципа преемственности в условиях реализации МПС физики, химии и биологии, что обеспечит высокий уровень их усвоения и развитие теоретического мышления.

Согласно цели и гипотезы перед исследованием были поставлены три группы задач:

Теоретико-методологические:

1) провести теоретико-методологический анализ основ преемственности в естественнонаучном образовании и школьной практике в условиях МПС для определения основных направлений научного исследования;

2) исследовать состояние образовательного уровня учащихся основной школы с целью определения проблемы научного исследования и эффективных путей реализации преемственности курсов физики, химии и биологии в условиях МПС;

3) определить методологические и психолого-дидактические основы подготовки учащихся к деятельности по реализации преемственности курсов физики, химии, биологии в основной школе в условиях МПС;

4) разработать атрибутивную модель понятия «материя», которая сможет выполнять методологическую функцию при изучении всех естественнонаучных дисциплин и формировании методологических знаний у учащихся;

Общенаучные:

1) разработать методологические и содержательные основы преемственности физики, химии, биологии в рамках Новой концепции естественнонаучного образования.

2) провести теоретический синтез общих, общенаучных и частно-научных методологий и на этой основе разработать образно-знаковую модель живой системы, которая послужит методологической основой интеграции и средством развития естественнонаучных знаний на теоретическом уровне;

3) выявить систему фундаментальных естественнонаучных понятий, необходимых для понимания физико-химической сущности общебиологических явлений, лежащих в основе живого;

3) разработать систему логически связанных образно-знаковых моделей, которые будут являться содержательной и деятелъностной основой преемственности курсов физики, химии и биологии в условиях МПС при формировании и развитии фундаментальных естественнонаучных понятий («вещество», «энергия», «диффузия»); «информация» и «форма»);

4) конкретизировать и развить понятийно-терминологическое поле исследования.

Практические:

1) разработать учебно-методический комплекс, включающий учебные программы, учебные пособия, методические рекомендации, теоретические семинары, дидактические и диагностические материалы с целью внедрения методической системы МПС физики, химии и биологии в школьную практику;

2) осуществить экспериментальную проверку эффективности разработанной автором методической системы реализации методологических и содержательных основ преемственности физики, химии и биологии при формировании фундаментальных естественнонаучных понятий «вещество», «энергия», «диффузия», «информация» и «форма», а также общих учебно-познавательных умений у школьников в условиях реализации МПС в основной школе;

3) определить систему адекватных целям исследования критериев и методик экспериментальной проверки разработанной модели естественнонаучного образования и надежных средств ее реализации;

4) провести педагогический эксперимент, направленный на проверку гипотезы исследования, оценку эффективности разработанной автором методики и условий ее реализации, которые призваны обеспечить формирование у учащихся фундаментальных естественнонаучных понятий на теоретическом уровне.

Общую теоретико-методологическую основу исследования составляют материалистическая диалектика и диалектическая логика как теория познания: принципы восхождения от абстрактного к конкретному, рассмотрения объекта в его развитии, противоречивости, его количественной и качественной определенности, взаимосвязи количественных и качественных изменений; единства логического и исторического, анализа и синтеза, формы и содержания, объективности и всестороннего рассмотрения (Г.В.Ф. Гегель, Ф. Энгельс, Б.М. Кедров, П.В. Копнин, Э.В. Ильенков, А.П. Шептулин,

A.Г. Спиркин, В.А. Штофф, B.C. Степин и др.); философия науки и структура научных исследований (И.Г. Герасимов, В.П. Кохановский, А.И. Ракитов,

B.И. Кузнецов и др.); системно-синергетический подход (JI. Берталанфи, И.В. Блауберг, В.Н. Садовский, Э.Г. Юдин, М. Эйген, А.И. Уемов, И.Н. Степанов, И. Пригожин, И. Стингере, Г. Хакен, П.В. Алексеев, A.B. Панин, и др.); метод моделирования (В. Томсон, Н. Винер, А. Розенблат, В.А. Штофф, Б.С. Украинцев JIM. Фридман, Б.С. Гершунский, И.Б. Новик, B.C. Тюхтин, В.И. Загвязинский, И.Т. Фролов и др); деятельностный подход и теория деятельности (JI.C. Выготский, А.Н. Лентьев, П.Я. Гальперин, Н.Ф. Талызина, Г.П. Щедровицкий, В.П. Зинченко, М.Н. Шардаков, М.А. Степанова и др.); психологические теории познавательных процессов, прежде всего мышления (C.JI. Рубинштейн, В.В. Давыдов, П.Я. Гальперин, Н.Ф. Талызина, Г.А. Берулава); работы, посвященные проблемам комплексного, личностного, целостного подхода в педагогическом исследовании (В.Г. Афанасьев, В.И. Андреев, Н.Д. Никандров, Т.А. Ильина, В.В. Краев-ский, Н.В. Кузмина и др.); основные положения общей и профессиональной педагогики (В.П. Беспалько, Ю.К. Бабанский, М.Н. Скаткин, И.Я. Лернер, М.И. Махмутов, A.B. Усова, В.А. Черкасов, Н.М. Яковлева, H.H. Тулькибае-ва, В.К. Кириллов и др.); Исследования направленные на анализ природы категории преемственности (Ф. Энгельс, A.B. Батышев, С.М. Годник, А.В. Усова, A.B. Петров, И.С. Карасова, В.А. Черкасов, А.К. Бушля, Л.В. Воронова, Н.И. Ларина, М.В. Потапова, Т.И. Гнитецкая, Г.Е Бражникова и др.); результаты работ в области теории и методики межпредметных связей (A.B. Усова, В.Н. Федорова, В.Н. Максимова, Д.Н. Кирюшкин, Ц.Б. Кац, М.Н. Берулава, В.Р. Ильченко, Э. Мамбетакунов, А.И. Гурьев, С.А. Старчен-ко, O.A. Яворук, B.C. Елагина, М.Ж. Симонова и др.).

Сочетание теоретико-методологического уровня исследования с решением задач прикладного характера детерминировало выбор комплекса теоретических и эмпирических методов.

Теоретические методы: а) исторический анализ проблемы, анализ базисного учебного плана, Концепции модернизации российского образования на период до 2010 года, Государственных образовательных стандартов и программ по физике, химии, биологии с целью выяснения вопроса об отражении в них преемственности естественнонаучных дисциплин в условиях МПС в школьном обучении и прогрессивных направлений в решении данной проблемы; б) понятийно-терминологический анализ философской, психолого-педагогической и справочной литературы с целью применения его для вычленения стержня изучаемой проблемы и определения стратегии ее решения; г) системно-синергетический подход послужил основой для разработки Современной концепции биологического образования, которая позволила перестроить содержание биологического образования в основной школе на методологической и фундаментальной естественнонаучной основе; в) выявление оснований теоретического моделирования, его потенциальных возможностей в синтезе естественнонаучных знаний, построения идеализированных моделей высокого уровня интеграции с целью использования их как научных методологий при формировании развитии фундаментальных естественнонаучных понятий.

Эмпирические методы: а) исследование и обобщение педагогического опыта по реализации преемственности в процессе формирования фундаментальных естественнонаучных понятий; б) педагогическое наблюдение, опрос, собеседование, самооценка, анализ качества усвоения учащимися фундаментальных естественнонаучных понятий на основе анкетирования и тестирования школьников; в) педагогический эксперимент во всех его формах (констатирующий, зондирующий, формирующий, контрольный) по проверке эффективности предлагаемых способов и средств по реализации преемственности при формировании фундаментальных естественнонаучных понятий у учащихся в условиях МПС; г) статистические методы обработки результатов педагогического эксперимента.

В соответствии с поставленными задачами исследование проводилось с 1994 по 2006 годы и включало в себя четыре этапа. Базой исследования явились школы №№ 80, 99, 102, 124 г. Челябинска и школа № 4 г Аши Челябинской области.

На первом этапе (1994-1995 гг.) изучались правительственные документы по проблемам образования. Определялись методологические и теоретические основы исследования, анализировалась философская, психолого-педагогическая и методическая литература по исследуемой проблеме, изучался отечественный и зарубежный опыт построения естественнонаучного образования, проводилось анкетирование и тестирование школьников с целью выяснения состояния исследуемой проблемы в педагогической науке и практике школьного обучения. Изучался опыт учителей по реализации преемственности курсов физики, химии, биологии в условиях МПС при формировании естественнонаучных понятий у учащихся. На этом этапе была разработана авторская методика реализации методологических, содержательных и деятельностных основ преемственности физики, химии, биологии в условиях МПС при формировании фундаментальных естественнонаучных понятий, определены и сформулированы цель, объект, предмет, гипотеза, задачи исследования, разработан план проведения эксперимента.

На втором этапе (1995-1997 гг.) проведена корректировка программ по физике, химии и биологии с позиции Новой концепции естественнонаучного образования, основанной на опережающем изучении физики (с V класса) и химии (с VI класса), и разработанной в ее рамках методики преемственности методологических, содержательных и деятельностных основ физики, химии, биологии в условиях МПС; подготовлен учебно-методический комплекс, в который вошли авторская концепция, программы, содержание теоретических семинаров для учителей, дидактические материалы для учащихся. Комплекс составлен с учетом принципов ориентации на целостность естественнонаучных знаний и их генерализации вокруг таких фундаментальных понятий, как «вещество», «энергия», «диффузия», «информация» и «форма». Разработана система образно-знаковых и понятийных моделей. Разработаны требования к знаниям и умениям. Проведен пробный (зондирующий) эксперимент с целью выявления способов, средств и форм реализации МПС при формировании понятий о веществе, энергии, диффузии, информации и форме в условиях экспериментального изучения физики, химии и биологии в рамках Новой концепции естественнонаучного образования.

Третий этап (1996-2000 г.г.) был посвящен обучающему эксперименту по проверке эффективности разработанной методики, теоретических моделей и других способов, средств и форм реализации преемственности физики. химии, биологии в условиях МПС при формировании понятий о веществе, энергии, диффузии, информации, форме в рамках экспериментального обучения. Уточнены критерии эффективности разработанной методики. Проведена обработка экспериментальных данных и оформлены результаты проведенного исследования.

На четвертом этапе (2001-2006 гг.) проведен контрольный эксперимент с целью проверки ранее полученных результатов. Основной теоретический материал был представлен в виде двух монографий: «Методологические основы развития естественнонаучных понятий в курсе биологии при опережающем изучении физики» и «Межпредметные связи биологии и физики при опережающем изучении физики», а также шести учебно-методических пособий. Анализировались основные результаты исследования, завершалось оформление диссертации.

Научная новизна исследования заключается в следующем:

- разработаны методологические и содержательные основы преемственности физики, химии и биологии в условиях МПС, определившие стратегию формирования фундаментальных естественнонаучных понятий и способствовавшие качественно новому (теоретическому) уровню их усвоения;

- обоснована целесообразность изучения биологии на основе опережающих курсов физики и химии, которые закладывают и развивают фундаментальные естественнонаучные понятия, необходимые для понимания сущности биологических явлений и жизни в целом;

- методологически обоснована системообразующая роль фундаментальных естественнонаучных понятий: «вещество», «энергия», «диффузия» информация» и «форма» при реализации преемственности в процессе изучения естественнонаучных дисциплин в условиях МПС;

- на основе теоретического синтеза общих, общенаучных и частно-научных методологий разработана идеализированная модель живой системы, выполняющая системообразующую роль интеграции и развития естественнонаучных знаний у учащихся;

- разработана Современная концепция биологического образования, которая конкретизирует Новую концепцию естественнонаучного образования и позволяет кардинально перестроить содержание биологического образования на методологической и фундаментальной естественнонаучной основе;

- разработана система логически связанных образно-знаковых моделей, позволяющая поэтапно формировать и развивать фундаментальные естественнонаучные понятия в процессе изучения курсов физики, химии и биологии в основной школе;

- разработана методика реализации преемственности физики, химии и биологии при формировании фундаментальных естественнонаучных понятий в условиях МПС.

Теоретическая значимость:

- уточнено и скорректировано содержание и иерархичность понятийно-категориального аппарата современного естественнонаучного образования («диффузия», «энергетический обмен» «анаболизм», «катаболизм» и др.) на основе применения фундаментальных естественнонаучных понятий, а также современных методологий познания - исторического, системно-синергети-ческого и функционального подходов;

- теоретически обоснована целесообразность формирования фундаментальных естественнонаучных понятий в общеобразовательной школе на основе принципа движения от абстрактного к конкретному: от атрибутов материи, выраженных философскими понятиями («движение», «взаимодействие», «отражение»), к общебиологическим понятиям («открытость», «саморегуляция», «самовоспроизведение»), а от них к блоку фундаментальных естественнонаучных понятий («вещество», «энергия», «диффузия», «информация» и «форма»), раскрывающих сущность физических, химических и биологических явлений;

- обоснована необходимость комплексного использования следующих методологических подходов: диалектического, исторического, системно-синергетического, структурного, генетического, кибернетического, функционального, эволюционного и др., их ранжирования и правильного выбора при изучении природных объектов различного уровня сложности, установления преемственности между ними;

- определена стратегия познания учащимися сущности природных форм различного уровня иерархичности, основанная на «сопряжении» чувственного познания, с рациональным. Ее реализация осуществляется через конструирование и использование логически связанных, эстетически оформленных образно-знаковых моделей разного уровня интеграции;

- конкретизированы педагогические и методические положения реализации преемственности физики, химии и биологии при формировании фундаментальных естественнонаучных понятий в условиях МПС основной школы в рамках Новой концепции естественнонаучного образования',

Практическая значимость исследования заключается в том, что его выводы и рекомендации по реализации преемственности физики, химии и биологии в процессе формирования фундаментальных естественнонаучных понятий в условиях МПС служат совершенствованию образовательного процесса в основной школе и повышению качества естественнонаучного образования учащихся. Практическая значимость определяется:

1) внедрением в школьную практику авторской методики реализации преемственности курсов физики, химии и биологии, обеспечивающей теоретический уровень усвоения фундаментальных естественнонаучных понятий «вещество», «энергия», «диффузия» «информация» и «форма», предусматривающей реализацию МПС на теоретическом уровне при формировании понятий, законов, теорий, общих для предметов естественнонаучного цикла;

2) разработкой и внедрением в учебный процесс системы образно-знаковых моделей высокого уровня интеграции, призванных выполнять методологическую функцию при формировании понятий на основе МПС курсов физики, химии и биологии;

3) разработкой учебно-методического комплекса, включающего концепцию и методику формирования фундаментальных естественнонаучных понятий, учебные программы, учебно-методические руководства для учителей, дидактические материалы для учащихся;

4) подготовкой учебно-методических пособий, содержащих теоретическое обоснование, практические рекомендации и дидактические материалы по формированию фундаментальных понятий, общих для предметов естественнонаучного цикла: «вещество», «энергия», «диффузия», «информация» и «форма», в условиях реализации межпредметных связей;

5) положительным влиянием разработанной автором методики реализации преемственности физики, химии и биологии на качество усвоения учащимися фундаментальных естественнонаучных понятий «вещество», «энергия», «диффузия», «информация» и «форма».

Апробация работы проходила на заседании кафедры теории и методики обучения физике ЧГПУ, на международных и всероссийских конференциях и межвузовских семинарах в г. г. Челябинске, Санкт-Петербурге, Пензе, Вологде, Омске.

На защиту выносятся:

- положение о том, что реализация в единстве методологических, содержательных и деятельностных (процессуальных) основ преемственности при изучении курсов физики, химии, биологии в основной школе в условиях МПС в рамках Новой концепции естественнонаучного образования обеспечит качественно новый - теоретический уровень усвоения учащимися основной школы фундаментальных естественнонаучных понятий «вещество», «энергия», «диффузия»; «информация» и «форма»;

- система образно-знаковых моделей как эффективная форма познания и средство деятельности при реализации преемственности курсов физики, химии, биологии, позволяющая формировать и систематизировать естественнонаучные понятия на теоретическом уровне;

- разработанная автором методика реализации преемственности при формировании фундаментальных естественнонаучных понятий «вещество», «энергия», «диффузия», «информация» и «форма», включающая:

1) изменение последовательности изучения и содержания естественнонаучных дисциплин в соответствии с Новой концепцией естественнонаучного образования, основанной на опережающем изучении курсов физики (начиная с V класса) и химии (начиная с VI класса);

2) обеспечение преемственности в формировании и интерпретации выделенных понятий на основе единых требований к уровню их усвоения;

3) осуществление единого подхода при формировании общих классов естественнонаучных понятий и учебно-познавательных умений школьников;

4) использование метода моделирования, как современной общенаучной методологии, объединяющей разные методы теоретического поиска (анализ, синтез, абстрагирование) и обеспечивающей сопряжение чувственной и рациональной форм познания;

5) использование интегративных форм учебных занятий, целью которых является обобщение и систематизация знаний, полученных учащимися при изучении различных естественнонаучных предметов;

6) использование в процессе формирования обозначенных понятий, задач и заданий, требующих комплексного применения знаний по физике, химии и биологии.

Заключение диссертации по теме «Теория и методика обучения и воспитания (по областям и уровням образования)», Похлебаев, Сергей Михайлович

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

1. Учение Ф. Энгельса о генетической связи между формами движения материи играет ключевую роль в понимании законов развития природы, общества и мышления. Наиболее общие и существенные моменты (стороны) этих законов выражаются через категорию «преемственность», раскрывающую не только сущность основного закона развития природы — отрицания отрицания, но и являющуюся проявлением закона количественных изменений в качественные и закона единства и борьбы противоположностей.

2. Содержательной основой интеграции курсов физики, химии, биологии, способствующей формированию у учащихся основной школы теоретического мышления и естественнонаучной картины мира, являются фундаментальные естественнонаучные понятия, законы и теории, общие для дисциплин естественного цикла.

3. Диалектика природы раскрывается через общие закономерности перехода от низших форм движения материи к высшим. Для понимания этих закономерностей большое значение при изучении природных объектов имеет уяснение диалектической связи между формой и содержанием, что позволяет понять основной механизм их эволюции и сформировать диалектический стиль мышления.

4. В понимании вопроса об эволюции форм в природе большое значение имеет закон перехода количества в качество. При этом качественные различия основываются либо на различном химическом составе или формах движения (энергии), либо имеет место почти всегда и то, и другое. Данная закономерность во многом определила стратегию изучения объектов и явлений в курсах физики, химии и биологии в условиях нашего эксперимента. Она позволила учащимся понять общие механизмы преобразования (эволюции) одной природной формы в другую, то есть проследить ее усложнение (упрощение) исходя из количества элементов и их связей и появления нового качества (содержания). Накопление разнообразия элементов и их связей обеспечивает перестройку внутренней структуры исходной формы, что приводит к появлению новой формы существования материи, обладающей специфическим свойством.

5. В процессе изучения предметов естественнонаучного цикла учащиеся прослеживали эволюцию природных форм, начиная с элементарных частиц, которые по своей организации являются относительно простыми объектами природы, и заканчивая биосферой, являющейся наиболее сложной формой проявления живого. В процессе выяснения учащимися сущности преобразования одних природных форм в другие учитель имел возможность отслеживать механизмы формирования идеализированных форм в их мыилле-нии, так как закономерности развития природы и мышления едины.

6. В качестве эффективного методологического приема формирования понятий «форма и содержание» мы использовали метод моделирования. Учитель совместно с учащимися конструировал модели интегративного характера, которые отражали в образно-знаковой форме основные объекты неживой и живой природы и их взаимосвязь. Помимо общей модели, касающейся всех форм движения материи, создавались модели, отражающие более детально эволюцию форм, изучаемых в рамках одной дисциплины или ее раздела. При этом учитывалось, что качественная определенность этих форм будет зависеть и от количественной составляющей, которую также необходимо привлекать при интерпретации сущности изучаемого объекта.

7. Количественная характеристика природных форм, относящихся к различным видам движения материи, учитывалась в качестве исходного пункта для решения вопроса о принципах их организации и эволюции. Для реализации этой идеи учащиеся приводили и сопоставляли количественные данные о тех элементах и их связях, которые составляют основу изучаемой структуры (формы). На основе этих данных составлялся своеобразный вариационный ряд, который показывал общую тенденцию усложнения природных форм на основе количественных характеристик их элементов.

8. Диалектическая пара категорий «форма и содержание», отражающая общие закономерности развития природных объектов, сыграла основополагающую роль при изучении эволюции природных форм, так как «движение мысли состоит в развитии познавательного образа, в движении от незнания к знанию». В наших исследованиях эти категории служили главным содержательным основанием преемственности курсов физики, химии и биологии, что способствовало формированию системы обобщенных знаний у учащихся и переходу внутрипредметных, межпредметных и межцикловых связей на качественно новый, теоретический уровень.

9. В качестве содержательной основы преемственности предметов на уровне естественнонаучного знания нами было выбрано фундаментальное естественнонаучное понятие «диффузия». Основанием для этого послужил тот факт, что диффузия лежит в основе фундаментальной формы движения -физической, которая предопределяет развитие всех остальных форм движения материи и сохраняется в них в качестве исходной. Диффузионные процессы обеспечили вещественные, энергетические и информационные взаимодействия между атмосферой, гидросферой и литосферой, которые привели к созданию геохимических (биогеохимических) циклов, играющих ключевую роль в поддержании и развитии планеты Земля. Процесс диффузии играет исключительно важную роль в обмене веществом, энергией и информацией между любой природной системой и окружающей средой. Для всех уровней организации природных систем процесс диффузии имеет как общие закономерности своего проявления, так и частные особенности, которые были выявлены в процессе нашего исследования и использованы при раскрытии сущности физических, химических и биологических явлений, а также установлении связей между ними.

10. Содержательная преемственность физики, химии и биологии в условиях МПС на элементарном уровне нами была раскрыта на основе электронной теории строения вещества. Особая роль электронов в современной теории вещества определяется тем, что отклик электронов на внешние электрические и магнитные воздействия существенно определяет физико-химические свойства веществ. Поэтому фундаментальное объяснение макроскопических свойств вещества связано с определением влияния электронов на формирование этих свойств. Явления, изучаемые электронной теорией вещества, имеют первостепенное значение для научно-технического прогресса. Разработанная нами теоретическая модель «Энергетическое состояние электрона в метаболитах фотосинтеза и дыхании» позволила выявить физико-химическую сущность физиологических процессов на элементарном уровне, понять взаимосвязь физических, химических и биологических явлений, а через них и взаимосвязь (преемственность) форм движения материи.

11. В качестве содержательной основы преемственности курсов физики, химии и биологии определен функциональный подход, выдержавший длительную историческую проверку. Теоретически обоснованный в рамках кибернетики, он является эффективным методом современного естествознания. Функциональный подход как разновидность системного подхода выполняет важную методологическую роль при изучении функций и явлений живых и неживых систем. Он позволяет создавать гипотетические модели организации и управления сложными системами. Его использование в единстве с частными методами исследования позволяет вскрыть новые количественные и качественные закономерности изучаемых процессов и явлений в природных системах, управлять ими и получать от них максимальную пользу.

Усвоение функционального подхода, применение его на практике важно не только для ученых, но и для учащихся, которые в процессе обучения «следуют по тропе научных открытий», усваивая знания и умения физиологического характера. Наше исследование показало, что использование функционального подхода при изучении природных систем в школьных курсах физики, химии и биологии расширяет границы понимания и применения общенаучных методологий (системного подхода и материалистической диалектики), способствующих интеграции естественнонаучных знаний, а также методов познания окружающего мира.

ГЛАВА 4. МЕТОДИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФОРМИРОВАНИЯ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫХ ПОНЯТИЙ

4.1. Методика формирования и развития понятия «окислительно-восстановительная реакция» в курсах химии и биологии

Выход молекулярной биологии на передовые позиции биологической науки во многом должен определять стратегию содержания биологического образования в силу того, что основополагающим принципом его содержания является принцип научности. Отсюда следует, что изучение и понимание процессов на молекулярном и субмолекулярном уровнях в курсе общей биологии возможно только на понятийной основе физики, химии и математики. Следует постоянно помнить, что биология не только должна опираться на понятия, законы и теории этих курсов, но и развивать (углублять) их при изучении объектов и явлений живой природы. Только в этом случае будет реализован главный принцип теории развития понятий, согласно которому понятия формируются в развитии и взаимосвязи. При реализации такого принципа на практике в школе и вузе можно надеяться, что знания обучаемых достигнут теоретического уровня, который будет являться базой будущим специалистам для выдвижения новых идей и подходов в биологической науке.

Непосредственной основой биологической формы движения материи является - химическая, которая сама прошла длительный путь своего развития. Отражением этого является перечень химических наук (дисциплин), которые вытекают одна из другой: неорганическая химия —> органическая химия —► биохимия. Для подтверждения упомянутой выше закономерности развития химической формы движения материи выбраны только те науки (дисциплины), которые изучаются в школе. Следует также сделать оговорку и в отношении биохимии. Данная дисциплина как самостоятельная в школе не изучается, однако в курсе общей биологии, в разделах «Цитология» и «Генетика», она представлена в той или иной мере.

При изучении химической формы движения материи, в качестве основной также должна быть взята идея - о единстве дискретности и непрерывности химической организации вещества. Взятие ее на вооружение в качестве методологии, позволит выявить общие закономерности химических превращений у всех известных веществ, что приведет к созданию единой химической теории, которая будет не только объяснять все существующие механизмы химических реакций, но и предсказывать новые.

С методологической и методической точек зрения очень важно проследить развитие и взаимосвязь основных теорий, законов и понятий, которые отражают эволюцию (усложнения и разнообразия) вещества как одной из форм существования материи. Одним из основных понятий химии, выполняющих методологическую функцию при изучении физиолого-биохимичес-ких процессов в интактной клетке на молекулярном уровне, является понятие «окислительно-восстановительная реакция». С философской точки зрения эта диалектическая пара представляет несомненный интерес, так как, обладая двойственной реакционной способностью, окислительно-восстановительные реакции во многом определяют эволюцию вещества, подчиняясь основному закону природы - единства и борьбы противоположностей.

Понятие «окислительно-восстановительная реакция» закладывается в курсе неорганической химии в восьмом классе. В параграфе «Окислительно-восстановительные реакции» указывается: «химические реакции, в результате которых происходит изменение степеней окисления атомов химических элементов, образующих реагирующие вещества, называют окислительно-восстановительными реакциями» [98, с. 173]. В процессе изучения этого курса в 9 классе, понятия «окисление» и «восстановление» используется при рассмотрении свойств металлов, галогенов и кислорода, это дает основание для утверждения о том, что происходит их дальнейшее развитие, однако в диалектическом единстве, как «окислительно-восстановительная реакция», они не применяются.

К числу базовых фундаментальных дисциплин относится и органическая химия, которая вносит существенный вклад в понимание биологической формы движения материи и материального мира в целом. Органическая химия отражает следующий этап эволюции вещества, когда появились новые принципы его организации, приведшие к еще большему усложнению и разнообразию структур (молекул) и свойств этого вида материи.

Учитывая генетическую связь между неорганической и органической природой вещества вполне резонно предположить, что окислительно-восстановительный принцип взаимодействия атомов и молекул будет работать и в органической химии. Однако в школьном курсе органической химии окислительно-восстановительный принцип классификации органических реакций вообще не используется [97]. Вместе с тем при изучении биохимических реакций в курсе общей биологии понятие «окислительно-восстановительная реакция» вновь начинает работать в той или иной степени. Такой парадокс в «логике развития» (а точнее не развития) данного химического понятия негативно сказывается на понимании сущности физиоло-го-биохимических процессов (фотосинтеза, дыхания и др.) изучаемых на молекулярном уровне в школьном курсе общей биологии.

Исследование данной проблемы позволило выявить, что ее возникновение обусловлено как объективными, так и субъективными факторами. Объективным фактором, обусловливающим появление подобной проблемы, является специфика предмета изучения органической химии - гидридов углерода (углеводородов) с их особыми свойствами, которых нет у гидридов других элементов. Специфика этих соединений заложена в своеобразных и неповторимых свойствах атома углерода, обусловленных его электронной структурой. Атом углерода находится в четвертой группе периодической системы Д.И. Менделеева, и после его возбуждения, необходимого для химического взаимодействия, он не имеет на валентной оболочке ни электронных пар, ни вакантных низко лежащих орбиталей. Поэтому в соединениях углерода, использовавшего все четыре валентных электрона в сигма связях, возникают стабильные электронные состояния без свободного химического сродства. Это валентно-насыщенные молекулы.

Несмотря на это, ведущие специалисты допускают использование понятия «окислительно-восстановительная реакция» в органической химии. Так, например, Б.Д. Березин и Д.Б. Березин отмечают, что «органические реакции так же, как и неорганические, могут быть классифицированы по общим признакам на реакции переноса: единичного электрона (окислительно-восстановительные реакции), электронных пар (реакции комплексообразо-вания), протона (кислотно-основные реакции) и др. Вместе с тем, многообразие и большое своеобразие органических реакций приводит к необходимости и целесообразности их классификации по другим признакам: 1) по электронной природе реагентов (нуклеофильные, электрофильные, свободноради-кальные реакции замещения или присоединения); 2) по изменению числа частиц в ходе реакции (замещение, присоединение, диссоциация, ассоциация); 3) по частным признакам (гидратация и дегидротация, гидрирование и дегидрирование и др.).» [35, с. 183-184].

Подобную точку зрения высказывает X. Беккер, который в разделе «Окисление и дегидрирование» приводит следующую трактовку понятию окислительно-восстановительная реакция: «Окислительно-восстановительная (редокс-) реакция состоит в передаче электронов от восстановителя (донора электронов, нуклеофильного соединения) к окислителю (акцептору электронов, электрофильному соединению); при этом восстановитель окисляется, а окислитель восстанавливается» [342, с. 5]. Однако это общее определение, указывает данный автор, можно применить и к органическим реакциям, протекающим с созданием и разрывом ковалентных связей, если ввести понятие формального числа окисления (степени окисления). Констатируя факт, что в органической химии понятие «окисление» не получило широкого распространения, данный автор вместе с тем отмечает, что «в органической химии под окислением понимают потерю электронов, отщепление водорода или введение кислорода. Часто отщепление водорода сопровождается присоединением кислорода» [там же].

Приведенные аргументы свидетельствуют, что при изучении курса органической химии, понятие «окислительно-восстановительная реакция» может быть применено при рассмотрении механизмов протекания некоторых органических реакций, например, реакций гидрирования-дегидрирования, в которых они являются практически синонимами. Из этого следует, что при изучении курса органической химии учителю следует на соответствующем материале развивать понятие «окислительно-восстановительная реакция», т. е. показывать, что одна и та же реакция в зависимости от используемой классификации может интерпретироваться по-разному (субъективный фактор). Такой подход будет методологически и методически обоснован, так как обеспечит дальнейшее углубление и расширение важнейшего естественнонаучного понятия «окислительно-восстановительная реакция», что создаст необходимый фундамент для изучения механизмов биохимических реакций, которые будут рассматриваться в курсе общей биологии.

Подобный вывод согласуется с мнением известного философа - B.C. Вя-зовкина, который указывает, что «.от современного химика требуется избавиться от шор узкопрофессиональных представлений, диктуемых его наукой. Он должен уметь усваивать опыт родственных химии наук (например, физики и биологии), видеть связи существующие между химической проблемой и сходными проблемами пограничных отраслей знания, оперировать понятиями и теоретическими представлениями смежных наук. В нынешних условиях способность взглянуть на проблему с точки зрения «чужой» науки содействует успешной работе творческого мышления» [96, с. 162]. Данный исследователь указывает также, что химик имеет дело не с отдельными объектами, а с их целыми группами, поэтому закономерным следствием этой особенности является серийный характер эмпирических данных и первоначальных теоретических обобщений. Сущностный характер химического (биологического) стиля мышления ориентирует исследователя на то, чтобы обнаружить в многообразии эмпирических фактов проявление одной и той же сущности [там же, с. 167].

Методологическая роль понятия «окислительно-восстановительная реакция» при изучении клеточного метаболизма

Результатом разрешения противоречий в химической форме движения материи явилось возникновение на ее основе более высокоорганизованной формы движения материи, которая именуется жизнью. Возникновение жизни на нашей планете, по мнению Н.П. Дубинина, связано, прежде всего, с актом появления в целостной системе взаимодействия специфических веществ, энергии и информации [171, с. 6].

Главным функциональным критерием всего живого, по определению Ф. Энгельса, является обмен веществ. Поэтому неслучайно корифеи методики биологии: Н.М. Верзилин и В.М. Корсунская подчеркивают, что «важнейшее понятие об обмене веществ, связанном с жизненными функциями и условиями жизни, требует особого внимания. Планомерному развитию понятия об обмене веществ мешает отсутствие должного внимания обмену внутриклеточному, внутритканевому и превращениям энергии» [70, с. 90, 93].

В основе обмена веществ биологических систем разного уровня организации с окружающей их средой лежат физические и химические явления, обуславливающие превращения вещества и энергии. Поэтому и содержание понятия «обмен веществ» раскрывается через понятия «вещество» и «энергия», что четко отражено в одном из его определений: «Обмен веществ (метаболизм - от греч. metabole — перемена) - совокупность всех химических изменений и всех видов превращений веществ и энергии в организмах, обеспечивающих развитие, жизнедеятельность и самовоспроизведение организмов, их связь с окружающей средой и адаптацию к изменениям внешних условий. Основу обмена веществ составляют взаимосвязанные процессы анаболизма и катаболизма, направленные на непрерывное обновление живого материала и обеспечение его необходимой энергией» [419, с. 905] (курс. наш). В приведенном определении обмена веществ в связи с рассматриваемой проблемой следует выделить два момента: 1) в основе обмена веществ (метаболизма) лежат химические изменения, т. е. реакции; 2) развитие данной функции организмов определяет диалектическая пара - анаболизм - катаболизм.

Применяя законы формальной логики, нетрудно предсказать, что в основе анаболизма и катаболизма также лежат явления превращения вещества и энергии, обусловленные, в первую очередь, с химическими реакциями. Эти моменты зафиксированы в энциклопедических словарях интепретирующих понятия анаболизма и катаболизма [45; 419]. Наиболее важный процесс анаболизма, имеющий планетарное значение, - фотосинтез, катаболизма - дыхание. Основой этих процессов также являются химические (биохимические) реакции, среди которых исключительно важную роль играют реакции окислительно-восстановительного типа.

Приведенные логические рассуждения дают основание для утверждения, что раскрытие содержания фундаментальных биологических понятий: обмена веществ (метаболизма), анаболизма, катаболизма, фотосинтеза, дыхания во многом будет определяться степенью сформированности базового для них понятия «окислительно-восстановительная реакция» в курсах неорганической и органической химии.

Важнейшей особенностью живой материи является ее способность извлекать из окружающей среды и преобразовывать энергию, которая расходуется на построение и поддержание характерной для живого сложной структурной организации, причем в качестве сырья используются простые исходные материалы. Рассматривая вопрос об энергетической составляющей живого, К. Вилли отмечает: «Нескончаемый поток энергии в клетке, поток энергии от одной клетки к другой или от одного организма к другому и составляет сущность жизни» [76, с. 79]. Живые организмы и составляющие их клетки высокоорганизованы, и поэтому их энтропия невелика. Они сохраняют это «низкоэнтропийное» состояние за счет повышения энтропии внешней среды.

Рассматривая физиологические функции клетки, X. Иост подчеркивает, что «постоянное взаимопревращение различных форм энергии как раз и обеспечивает способность организма поддерживать самые разнообразные жизненные функции. Главное, что нас интересует при рассмотрении биологических систем, это не сам факт превращения энергии, а тот способ, посредством которого это превращение совершается» [203, с.120]. «Основным источником полезной энергии в биологических процессах являются реакции окисления-восстановления» [там же, с. 139] (курс. наш).

В живой природе различают три основных вида превращения энергии: 1. Энергия квантов света (крайне неустойчивая форма энергии) улавливается хлорофиллом, дополнительными пигментами и трансформируется (запасается) в форме энергии химических связей углеводов и других органических соединений. Данное преобразование происходит в процессе фотосинтеза, который является функцией хлоропластов. 2. Устойчивая форма энергии, заключенная в химических связях органических соединений преобразуется в лабильную форму энергии, содержащуюся в макроэргических связях АТР. Это превращение происходит в процессе клеточного дыхания и осуществляется в основном в митохондриях. Анаэробная фаза дыхания - гликолиз протекает в цитоплазме. 3. Превращение энергии, происходящее при использовании клеткой лабильной энергии макроэргических связей АТР на выполнение различных форм работы: механическую, осмотическую, тепловую и т.д.

Из приведенных выше аргументов следует, что основными процессами живой природы, позволяющими поглощать (использовать) энергию внешней среды, запасать ее в виде устойчивых связей органических соединений и при необходимости переводить в лабильную форму энергии макроэргических связей АТР, являются процессы фотосинтеза и дыхания. Фотосинтез и дыхание также необходимо рассматривать как диалектическую пару, которая составляет сущность углеводного обмена, играющего исключительно важную роль, в обеспечении энергетическим и пластическим материалом все другие частные обмены (белковый, липидный, нуклеиновый и т. д.).

Понимание сущности фотосинтеза и дыхания на молекулярном и субмолекулярном уровнях при изучении их в школьном курсе биологии во многом зависит от того, насколько глубоко сформировано у школьников понятие «окислительно-восстановительная реакция». Необходимость такого требования вытекает из того, что данный тип реакций лежит в основе этих процессов, о чем свидетельствуют мнения ряда видных специалистов как в области химии, так и в области биохимии и физиологии клетки. Так, например, видный специалист в области органической химии Б.Д. Березин пишет: «По современным представлениям, фотосинтез в зеленом листе - это сложнейший физический, химический и биологический процесс окислительно-восстановительного превращения Н20 и С02 в углеводы и другие органические соединения, инициируемый хлорофиллом а в фотосинтетическом аппарате» [35, с.735]. Другой известный ученый в области биохимии растений, анализируя историю изучения фотосинтеза, отмечает, что «все имеющиеся в нашем распоряжении экспериментальные данные свидетельствуют о правильности мысли, высказанной в свое время К.А. Тимирязевым и А.Н. Бахом, согласно которой фотосинтез представляет собой цепь окислительно-восстановительных реакций [240, с. 275]. Анализируя физико-химические основы фотосинтеза, Г.Г. Комиссаров отмечает: «Фотосинтез - сложный биологический процесс, состоящий из большого числа сопряженных окислительно-восстановительных реакций» [227, с. 28].

В рамках рассматриваемой проблемы исключительно авторитетным является мнение крупных специалистов в области биохимии и физиологии фотосинтеза Б.А. Рубина и В.Ф. Гавриленко, которые в своей монографии констатируют: «Исследование последних лет позволили с большой определенностью установить природу реакций преобразования энергии. Они показали, что в реакционном центре возбужденная молекула хлорофилла взаимодействует с системой доноров и акцепторов электронов, осуществляя перенос электрона от донора к акцептору против термодинамического градиента.

Взаимодействие хлорофилла с энзиматическими системами осуществляется в реакциях окислительно-восстановительного типа [398, с. 43].

Согласно современным представлениям процесс фотосинтеза условно можно разделить на три этапа: фотофизический, фотохимический и биохимический. Фотофизический этап включает реакции поглощения электромагнитной энергии, запасания ее в виде электронного возбуждения и миграции в липопротеидном комплексе. В ходе фотохимического этапа энергия электронного возбуждения тушится в серии фотохимических (окислительно-восстановительных) реакций, приводящих к образованию лабильных, богатых энергией фотопродуктов (АТР и НАОРН). На данном этапе происходит фотоокисление воды и выделение кислорода. На биохимическом этапе энергетические эквиваленты АТР и КАБРН используются для восстановления углекислого газа до углевода.

На основании выше изложенного можно утверждать, что окислительно-восстановительные реакции играют важную роль в этом уникальном процессе живой природы, и, если характеризовать фотосинтез только с химической точки зрения, то можно дать следующее определение: «Фотосинтез это окислительно-восстановительный процесс, в котором происходит восстановление углерода углекислого газа до углерода углеводов и окисление кислорода воды до свободного кислорода».

Углеводы, образовавшиеся в процессе фотосинтеза, являются резервом энергетического и пластического материала. Часть этих веществ может непосредственно использоваться для построения оболочки растительных клеток. Однако энергия, запасенная в химических связях этих соединений, непосредственно использоваться не может, так как является весьма устойчивой. Для ее преобразования в лабильную форму энергии макроэргических связей АТФ необходим другой процесс, таковым является дыхание.

Дыхание - второе важнейшее звено углеводного обмена, в основу которого природа также положила окислительно-восстановительные реакции. В понимании химизма дыхания большое значение сыграли работы Баха и

Палладина. Заслуга первого ученого состоит в том, что его опыты заложили основы современного понимания механизмов активации кислорода, путем образования пероксидов [29]. Второй исследователь доказал, что кислород необходим для отнятия электронов и протонов от субстрата, в результате чего образуется вода [353]. Следовательно, данные ученые доказали, что по своей сути дыхание представляет окислительно-восстановительный процесс.

В дальнейших исследованиях по изучению механизма дыхания данное положение нашло полное подтверждение. Примером тому являются высказывания ученых с мировым именем. Так один из ведущих биохимиков А. Ленинджер при общей характеристике брожения и дыхания констатирует: «все гетеротрофные организмы в конечном счете получают энергию в результате окислительно-восстановительных реакций, иными словами, таких реакций, в которых электроны переносятся от доноров электронов, т. е. восстановителей, к акцепторам электронов, т. е. окислителям» [265, с. 362]. Другие, не менее известные ученые в области биологии: К. Вилли, В. Датье указывают, что «все живые клетки получают биологически полезную энергию за счет ферментативных реакций, в ходе которых электроны переходят с одного энергетического уровня на другой. Для большинства организмов конечным акцептором электронов служит кислород, который, взаимодействуя, с электронами и ионами водорода, образует молекулы воды. Передача электронов к кислороду происходит при участии заключенной в митохондриях ферментативной системы - системы переноса электронов. . В ходе этого процесса энергия электронов связывается в биологически полезной форме - в виде энергии макроэргических соединений, таких, как аденозинтрифосфат (АТР). Передача электронов через систему переноса электронов происходит путем ряда последовательных реакций окисления - восстановления, которые в совокупности носят название биологическое окисление» [76, с. 102]. Еще одним подтверждением обсуждаемого положения является факт использования данного понятия в отечественных вузовских учебниках и, в частности, в курсе физиологии растений, автором которого является Н.И. Якушкина: «С химической точки зрения дыхание - это медленное окисление. При окислительно-восстановительных реакциях происходит перенос электрона от донора ДН2 (который окисляется) к акцептору А (который восстанавливается): ДН2 +А Д + ЛН2»[559,с.213].

Для окисления углеводов, белков и жиров, которые являются основными субстратами дыхания, достаточно трех реакций: подготовительной (реакция гидролиза), дегидрирования и декарбоксилирования. Из них ключевую роль в энергетическом смысле играют реакции дегидрирования, которые по своей сущности являются реакциями окислительно-восстановительного типа. На этом делают акцент ведущие специалисты, как в области биологии, так и биохимии. Так, например, выше упомянутые биологи К. Вилли и В. Да-тье — подмечают, что «все реакции дегидрирования - это, по определению, окислительные реакции, сопровождающиеся отнятием электронов» [76, с. 105]. Биохимик А. Ленинджер при характеристике окислительно-восстановительных реакций выделяет несколько их видов. «Окислительно-восстановительными называются такие реакции, в процессе которых происходит перенос электронов от донора электронов (восстановителя) к акцептору электронов (окислителю). В некоторых окислительно-восстановительных реакциях перенос электронов осуществляется путем передачи атомов водорода; таким образом, дегидрирование и окисление представляют собой по существу два эквивалентных процесса. В других реакциях может иметь место одновременный переход как электрона, так и атома водорода [265, с. 425].

Приведенные аргументы также свидетельствуют, что в основе дыхания лежат окислительно-восстановительные реакции, и если давать определение данному процессу с химической точки зрения, то оно может выглядеть следующим образом: «Дыхание это окислительно-восстановительный процессу в котором происходит окисление углерода углеводов до углерода углекислого газа и восстановление молекулярного кислорода до кислорода воды».

Первичными акцепторами электронов (водородов) в окислительно-восстановительных реакциях (дегидрирования) служат пиридиннуклеотиды -никитинамидадениндинуклеотид (NAD+) и никотинамидадениндинуклео-тидфосфат (NADP+), которые являются коферментами анаэробных дегидро-геназ. Функциональной концевой группой этих пиридиннуклеотидов служит витамин никотинамид (амид никотиновой кислоты, ниацин). Эти два пири-диннуклеотида отличаются друг от друга по числу фосфатных групп: NAD+ содержит две, a NADP+ - три фосфатные группы в концевой части молекулы, присоединенной к кольцу никотинамида.

Кольцо никотинамида получает два электрона и два протона от молекулы, которая подвергается дегидрированию (окислению), например, молочной кислоты, и превращается в восстановленный никотинамиддинуклеотид (NADH), освобождая один протон, который уходит в среду. Данные превращения отражены в реакции на рис. 15.

Восстановлеше NADH и NADPH не могут реагировать с кислородом: их электроны должны пройти через промежуточные акцепторы переноса электронов (цитохромы и др.), прежде чем они смогут быть переданы на кислород. Движение электронов (Н) по электронтранспортной цепи происходит по термодинамическому градиенту и сопровождается поэтапным выделением энергии. При наличии сопрягающих механизмов (АТРаз), энергия, выделившаяся в ходе окислительно-восстановительных реакций используется на синтез АТР из ADP и Рь Следовательно, при движении электрона (водорода) по ЭТЦ имеют место два процесса: окисление и фосфорилирование (сопряженность реакций, которые ученые объединили в одно понятие «окислительное фосфорилирование»).

Приведенные выше материал свидетельствует о том, что развитие материи идет по пути ее усложнения и разнообразия. Это просматривается на конкретных ее видах существования и, в частности, на такой форме ее проявления, как вещество. Взаимодействия элементарных частиц (в том числе и электрона) на уровне физической формы движения материи привели к ново

Никотинамид осн, н н раЛ он он

42— [

Sfc,

ЧЦ.- тг

Рибоза А Т

Рибоза Б

Рис. 15. NAD". А. Структурная формула. Б. Восстановление никотинамидного компонента в результате принятия водорода от субстрата. му уровню ее организации - атомарному, который обозначил начало существования химической формы движения материи. В дальнейшем развитии этой формы существования материи электроны также сыграли немаловажную роль, во многом определяя механизмы взаимодействия атомов различных химических элементов друг с другом, что привело к образованию более сложных и разнообразных структур вещества - неорганических молекул. В неорганической материи, как на атомарном, так и молекулярном уровнях, роль электронов наиболее ярко проявляется в окислительно-восстановительных реакциях, которые внесли важный вклад в образование нового уровня организации вещества - органического.

При взаимодействии органических соединений - углеводородов окислительно-восстановительные реакции усложняются: их сущность состоит не только в передаче электронов, но и протонов. Дальнейшая химическая эволюция вещества, в основе которой лежит взаимодействие неорганических веществ и органических - углеводородов, привела к созданию новых классов органических соединений, прежде всего биополимеров: белков и нуклеиновых кислот, которые составляют основу живой материи. Создание этих соединений привело к тому, что механизмы окислительно-восстановительных реакций, лежащие в основе биологических процессов, играют важную роль в обеспечении клетки энергий и промежуточными метаболитами, стали более разнообразными и занимают центральное место.

Приведенные аргументы свидетельствуют о том, что по мере эволюции вещества совершенствовались формы и повышалась значимость окислительно-восстановительных реакций. Биологическая форма движения материи использует все виды окислительно-восстановительных реакций, характерных как для неорганических веществ, так и для наименее сложных органических - углеводородов, что во многом обеспечивает ее новое качество, которое именуется жизнью. Данная стратегия природы хорошо отражена в научной и вузовской учебной литературе по химии и биологии, что же касается школьных учебников по данным дисциплинам, то вряд ли можно говорить о диалектическом развитии понятия «окислительно-восстановительная реакция» в процессе их изучения.

Методологические аспекты проблемы развития понятия «окислительновосстановительная реакция» в школьном курсе общей биологии

Как уже отмечалось выше, формирование понятия «окислительно-восстановительная реакция» в школе начинается в курсе неорганической химии и его содержание увязывают только с принятием и отдачей электронов атомами или ионами, которые участвуют в реакции и это вполне оправдано.

Этот недостаток существенно сказывается на использовании и развитии данного понятия в курсе общей биологии при изучении таких процессов, как катаболизм и анаболизм. Остановимся на конкретном примере неумелого использовании понятия «окислительно-восстановительная реакция» в учебнике общей биологии под редакцией В.Б. Захарова, который доминирует в большинстве школ [336, с. 123-126].

Основу катаболизма, как известно, составляет процесс дыхания, и авторы учебника вполне обоснованно приводят общее уравнение этого процесса. Комментарий же к нему следующий: «При расщеплении глюкозы энергия выделяется поэтапно при участии ряда ферментов согласно итоговому уравнению:

С6Н1206 + 602 -> 6С02 + 6 Н20 + 2800 кДж.

Учитывая выше сказанное, более уместным был бы следующий комментарий. С химической точки зрения, дыхание - это окислительно-восстановительный процесс, при котором происходит окисление углерода углеводов до углерода углекислого газа и восстановление свободного кислорода до кислорода воды. Энергия, освобождаемая в этих реакциях, используется на синтез АТФ из АДФ и Ф„.

Следует особо отметить, что на понимание сущности окислительно-восстановительных реакций при формировании понятия дыхания (а также фотосинтеза) негативно сказывается исключение из содержания материала в

разделе «Цитология» понятий «НАД+» и «НАДФ+». Поэтому авторы выше упомянутого учебника по общей биологии, рассматривая анаэробный этап дыхания - гликолиз, вынуждены прибегать к менее научным терминам: «.в мышцах в результате анаэробного дыхания молекула глюкозы распадается (следовало сказать окисляется, прим. автора) на две молекулы пировино-градной кислоты (Сз Н4 03), которые восстанавливаются в молочную кислоту (С3 Н6 03)» [336, с. 125].

По-видимому, данной фразой авторы учебника запутывают не только учащихся, но и самих себя. В научном стиле и смысле данная фраза должна звучать так: .в мышцах в результате анаэробного дыхания молекула глюкозы окисляется до двух молекул пировиноградной кислоты. Отнятые от данной молекулы водороды идут на восстановление НАД4 до НАДН + Н+ В дальнейших превращениях судьба пировиноградной кислоты может быть двоякой: при наличии кислорода она будет окисляться до углекислого газа (с образованием промежуточных метаболитов); при его отсутствии - восстанавливаться до молочной кислоты, используя для этого водороды молекулы НАДН + Н+, и окисляя последнюю до НАД+. При таком подходе, в качестве иллюстрации сущности процесса гликолиза в общем виде можно было привести следующее общее уравнение:

СбН12Об + 2НАДН+ = 2С3Н4О3 + 2НАДН + Н+. А восстановление пировиноградной кислоты до молочной кислоты, которое имеет мест в отсутствии кислорода представить в виде уравнения: С3Н4О3 + НАДН + Н+ = С3Н603 + НАДН+. Выше сказанное позволяет заключить, что важнейшее понятие «окислительно-восстановительная реакция», которое закладывается в курсе неорганической химии, в дальнейшем не развивается ни в органической химии, ни в курсе общей биологии. Это является грубейшей методологической ошибкой, так как нарушается основной принцип формирования понятий, согласно которому понятия формируются в развитии и взаимосвязи [70, с. 86; 68, с. 55 ].

Большое значение в понимании механизмов окислительно-восстановительных реакций, лежащих в основе фотосинтеза и дыхания, имеет изучение структуры и свойств основных веществ (компонентов) электрон-транспортных цепей (ЭТЦ). Не менее важным для понимания механизмов преобразования энергии электрона в энергию макроэргических связей АТР являются и представления о пространственном расположении компонентов ЭТЦ в мембранах хлоропластов и митохондрий. В школьных и вузовских учебниках чаще всего отдельно рассматривается структура данных органоидов и отдельно их функции. При таком подходе, вряд ли можно говорить о применении в учебном процессе методологии системного подхода, которая в настоящее время является ведущей методологией познания не только в науке, но и в образовании.

Методологические подходы к изучению явлений, связанных с превращением вещества и энергии при изучении углеводного обмена, правомочно сравнить с подходами, которые применяются к изучению наследственной информации, так как эти фундаментальные понятия относятся к одному рангу.

Сравнительный анализ содержания материала углеводного обмена (фотосинтеза и дыхания) в школьных учебниках с содержанием материала о явлении наследственности свидетельствует: что для понимания механизмов наследственности первоначально формируется базовый понятийный химический аппарат, позволяющий понять сущность данного явления на молекулярном уровне: приводятся структурные формулы нуклеотидов - мономеров нуклеиновых кислот, показаны химические связи, с помощью которых они соединяются в полимерную цепь, демонстрируется взаимодействие полимерных цепей друг с другом за счет водородных связей, показана роль формы (упаковки) молекул RNK и DNK, обуславливающей их функции.

Молекулы DNK, как известно, несут информацию о первичной структуре всех белков клетки, которые ей будут «необходимы» в процессе онтогенеза. Отсюда следует, что для понимания явления наследственности структура и свойства белков также должны быть рассмотрены на молекулярном уровне, что и имеет место в школьных учебниках. Авторы вполне резонно начинают представление белков с рассмотрения общей структуры их мономеров - аминокислот. Выделение карбоксильной (кислотной) и аминогруппы (основной) у аминокислот позволяет показать принцип взаимодействия данных соединений друг с другом, в результате которого образуется полимерная цепь - первичная структура белка. Подобный материал имеет важное методологическое значение, так как на его примере показывается новый фундаментальный принцип организации вещества (которого нет у неорганической материи) — принцип биополимеризации, лежащий в основе построения молекул жизни - ОМ К и белков. Достаточно наглядно представлен материал по образованию вторичной, третичной и четвертичной структуры белковых молекул, что имеет немаловажное значение при изучении их функций.

Следует отметить, что понимание перехода от свойства молекул к их функциям имеет особое методологическое значение при изучении живого как нового уровня организации материи. На этом акцентируют внимание специалисты в области органической химии Б.Д. Березин и Д.Б. Березин, которые отмечают, что химические свойства несложных органических молекул проявляются в химических реакциях, где изменению подвергаются обычно один или ограниченное число реакционных центров. Сложнейшие по структуре макромолекулы биополимеров - белков и нуклеиновых кислот - также содержат реакционные центры (-№!, -С- ^Н2> -СООН, -ОН, -БН, =ГчГ- и

Т- Д.), II О которые характеризуются известными химическими свойствами, однако у них появляются черты, которые называются функциями. По мнению данных авторов, функции возникают в результате появления новых структурных форм молекул, так называемых надмолекулярных структур, которые являются результатом межмолекулярного взаимодействия двух макромолекул биополимеров [35, с.719]. Ярким примером этого являются двуспиральные молекулы ЭЫК и белки, имеющие третичную и четвертичную структуры. Такие молекулы приобретают формы спиралей, двойных спиралей, клубков, имеющих внешнюю поверхность и внутренние каналы, полости разнообразной формы. У таких молекул происходит экранирование большинства реакционных центров окружающими их остатками из атомов органогенов, особенно углеводородными фрагментами. Как отмечают выше указанные авторы, при этом «резко понижается химическая активность молекулы биополимера, сильно снижается его уязвимость по отношению к химическим реагентам, присутствующим в живой клетке (особенно таким, как Н3 0+, ОН", ОН, Н2О2, Ог и т. д.)» [там же].

Таким образом, эволюция вещества, приведшая к возникновению биологической формы движения материи, уже на молекулярном уровне обеспечила появление качественно новых взаимоотношений биологических объектов с окружающей их средой, что является одним из важнейших условий существования и развития живого. Взаимодействия в системе организм - среда в полной мере соответствуют основному закону философии - единства и борьбы противоположностей. Биологические объекты в процессе эволюции приспособились к избирательному поглощению вещественных, энергетических и информационных факторов, необходимых для их существования, и одновременно выработали механизмы защиты от неблагоприятных условий на разных уровнях их организации, начиная с молекулярного и заканчивая, биосферным. Так, экранирование реакционных центров гидрофобными группировками остатков углеводородов приводит к снижению скорости биохимических реакций и их избирательности, что, несомненно, замедляет метаболизм клетки и увеличивает ее время жизни. На биосферном уровне живые организмы защищаются от жесткого ультрафиолетового излучения благодаря озоновому экрану, который сформировался за счет кислорода, выделенного в процессе фотосинтеза растительными организмами.

В школьных учебниках, как правило, приведены хорошие иллюстрации (модели) и по механизмам реализации наследственной информации на уровне транскрипции, которая происходит в ядре клетки, и по трансляции, осуществляемой при участии рибосом (полисом), выполняющих функцию биосинтеза белка.

Приведенные факты позволяют констатировать, что в школьных учебниках биологии перед изучением явления наследственности на уровне организмов, создается необходимая понятийная химическая база для изучения (понимания) данного явления на молекулярном уровне, что позволяет учителю при изучении раздела генетики довести знания учащихся до теоретического уровня. Это подтверждается и практикой вступительных экзаменов в вузы, которая свидетельствует о том, что наиболее глубокие знания абитуриенты показывают чаще всего по разделу генетики.

Следуя законам логики, можно было ожидать, что данная стратегия будет применена авторами учебников по биологии и к изучению явлений, связанных с превращением вещества и энергии, прежде всего таких, как фотосинтез и дыхание, раскрытие сущности которых возможно только на должной физико-химической основе. Однако приходится констатировать, что ни в одном отечественном школьном учебнике по общей биологии не рассматриваются строение и функции органических молекул, которые играют ключевую роль в процессах фотосинтеза и дыхания, выполняя функцию либо посредников между метаболитами углеводного обмена, либо сами являются метаболитами углеводного обмена.

К таким соединениям, как минимум, следует отнести органические кислоты, углеводы, хлорофиллы, цитохромы, пиридиновые и флавиновые нук-леотидьг (NAD NADP FAD, FMN), пластохинон и убихинон.

Понимание структуры и функций этих молекул позволят понять механизмы окислительно-восстановительных реакций, лежащих в основе фотосинтеза и дыхания, ведущие либо к образованию органических веществ в хлоропластах из неорганических, полученных из окружающей среды, либо к их преобразованию в процессе дыхания, в результате которого данные соединения распадаются (окисляются) до неорганических - углекислого газа и воды. Попутно следует заметить, что при дыхании не вся органика расщепляется до неорганических веществ. Продукты ее полураспада (промежуточные метаболиты) используются на синтез всех соединений клетки, в том числе и самих углеводов (в процессе глюконеогенеза).

Структура и свойства органических соединений в школьном курсе общей биологии изучаются в разделе «Химические основы клеточной организации». Анализ данного раздела в отечественных школьных учебниках свидетельствует, что ни в одном из них не уделено должного внимания органическим веществам (соединениям), строение и свойства которых необходимы для понимания сущности фотосинтеза и дыхания на молекулярном уровне, за исключением такого соединения, как АТР.

Так, сведения о строении и свойствах хлорофилла не рассматриваются ни в одном учебнике, в то время как именно это соединение снабжает всю биосферу солнечной энергией, поэтому неслучайно основоположник учения о фотосинтезе К.А.Тимирязев писал: «Хлорофилловое зерно служит, .посредником между всей жизнью на земле и солнцем» [445, с. 137]. Информация о химическом строении и роли органических кислот не приводится в большинстве учебников, кроме учебника общей биологии под редакцией А.О. Рувинского, в котором приведены лишь структурные формулы молочной и пировиноградной кислот при рассмотрении моносахаридов. Иллюстрация структурных формул органических кислот в данном учебнике - факт, безусловно, положительный, однако авторам следовало бы помнить, что развернутые формулы молекул (в том числе и органических) приводятся, в первую очередь, с целью выявления у них функциональных групп, которые определяют их свойства. Кроме того, авторы данного учебника допускают фактическую ошибку, относя органические кислоты к группе моносахаридов.

Углеводы рассматриваются во всех школьных учебниках, вместе с тем структурные формулы этих органических веществ приводятся только в учебнике под редакцией А.О. Рувииского. Во всех учебниках констатируется функциональная и структурная роль этих веществ в клетке, что, безусловно, является фактом весьма значимым. Однако функциональные группы этих соединений не выделяются и, как следствие, не рассматриваются и химические свойства этих молекул [336-338].

Существенным недостатком школьных учебников является отсутствие в них материала о химической структуре и свойствах таких важнейших органических соединений, как пиридиннуклеотиды - NAD+ и NADP+, и флывин-нуклеотиды - FAD, FMN, которые играют важную роль в окислительно-восстановительных реакциях, лежащих в основе фотосинтеза и дыхания. Отсутствие данных о строении и функции этих соединений в большинстве школьных учебников приводит к тому, что знание учащихся о фотосинтезе и дыхании в большинстве случаев являются поверхностными, а порой и неверными. Этот весьма негативный момент в биологической подготовке школьников сказывается, в свою очередь, на формировании таких важнейших понятий, как «анаболизм» и «катаболизм», которые служат фундаментом понятий метаболизма и обмена веществ, во многом раскрывающих сущность живого. В качестве положительного момента следует отметить наличие в учебнике А.О. Рувинского сокращенных названий окисленной и восстановленной форм коферментов - NADP+ / NADPH, однако и здесь не показан механизм их взаимопревращения. Авторы данного учебника не рассматривают строение и химические свойства этих соединений отдельно, в соответствующем разделе курса биологии, а лишь приводят их названия при изучении механизма фотосинтеза [338, с. 78].

Относительно цитохромов, которые представлены в ЭТЦ хлорпластов и митохондрий различными видами и которые играют важную роль в транспорте электронов, переходя при этом из окисленной формы в восстановленную и наоборот, имеется отрывочная текстовая информация только в учебнике А.О. Рувинского.

В осуществлении механизмов фотосинтетического и окислительного фосфорилирований важную роль играют такие коферменты, как пластохино-ны и убихиноны. Это производные бензхинона, которые выполняют функцию не только переносчиков электронов, но и протонов. Без знания структуры и свойств этих соединений невозможно понять механизм преобразования крайне неустойчивой формы энергии электронного возбуждения в лабильную форму энергии макроэргических связей АТР. Данное преобразование осуществляется через промежуточную форму энергии - электрохимический градиент протонов (ДцН4-).

Механизм создания электрохимического (протонного) градиента и его использования для синтеза АТР расшифровал английский ученый Питер Митчелл, за что и был награжден в 1972 году Нобелевской премией [329]. Расшифровка данного механизма в области биоэнергетики клетки приравнивается по значимости к расшифровке структуры DNK американскими учеными Уотсоном и Криком.

Первая попытка включить элементы теории Митчелла в школьные учебники не увенчалась успехом. Так, в учебнике под редакцией Ю.И. Полянского указывается, что образование протонного градиента на мембране хлоропласта происходит за счет механизма разложения (фотоокисления) воды [337, с. 77]. Данный механизм вносит определенный вклад в создание протонного градиента по разные стороны мембран тилакоидов, но не является главным. Основным же механизмом по созданию данного градиента является работа «протонной помпы», для понимания которой необходимы знания о структуре и свойствах хотя бы основных компонентов электронтранспорт-ной цепи: цитохромов, пластохинонов и убихинонов, но они, в данном учебнике даже не упоминаются. Большинство авторов других отечественных учебников вообще не привлекают теорию Митчелла для объяснения механизма образования АТР.

В учебнике по общей биологии под редакцией А. О. Рувинского (для 10-11 классов школ с углубленным изучением биологии) вновь делается попытка использовать основные положения хемиосмотической теории П. Митчелла для объяснения механизма синтеза АТР. Для этих целей авторы указывают (называют) основные компоненты ЭТЦ, локализованные в мембранах хлоропластов и митохондрий, но при этом не рассматривают их химической структуры [338, с. 70, 81-83]. Итог такого подхода малоэффективен: при объяснении фосфорилирования, имеющего место в световой фазе фотосинтеза, основные идеи выше упомянутой теории вообще не используются, а при объяснении механизма окислительного фосфорилирования, такая попытка делается, но вряд ли она приводит к пониманию механизмов создания электрохимического градиента протонов, так как учащиеся не имеют ни малейшего представления о химической структуре компонентов ЭТЦ, и поэтому понять механизм работы всего этого комплекса на уровне терминов весьма затруднительно.

Приведенные факты и логические рассуждения дают основание для утверждения, что изучение химической структуры и свойств таких соединений как органические кислоты, углеводы, хлорофиллы, цитохромы, пиридиновые и флавиновые нуклеотиды (NAD+ NADP+ FAD, FMN), пластохинон и убихи-нон, в школьных учебниках по общей биологии крайне необходимо, так как оно обеспечивает понимание уникальных физиолого-биохимических процессов: фотосинтеза и дыхания - на молекулярном уровне. Эти пропедевтические физико-химические знания создадут условия для целенаправленного использования и углубления понятия «окислительно-восстановительная реакция» при изучении сущности фотосинтеза и дыхания, которые, являясь звеньями углеводного обмена, обеспечивают энергетическим и пластическим материалом все другие частные обмены клетки. При таком подходе к изучению данных процессов, будут отражены и современные достижения науки в понимании механизмов метаболизма клеток.

В школьном курсе общей биологии нет необходимости детально изучать структуру органических молекул, которые играют важную роль в окислительно-восстановительных реакциях, лежащих в основе того или иного физиолого-биохимического процесса. Учащихся следует ознакомить с общим строением органической молекулы и более детально рассмотреть особенности строения функциональных групп, которые участвуют в переносе электронов или водородов (электронов и протонов). Следует сразу же упредить скептиков, что подобный материал по своей сложности не превышает сложность материала по изучению структуры и свойств белков и нуклеиновых кислот, который школьники усваивают в полной мере. Более того, вооружив учащихся химическими знаниями об органических веществах (хлорофилле, цитохроме, NAD+ и др.), мы создадим необходимую базу для понимания физиолого-бихимических процессов, и тем самым облегчим образовательный процесс по усвоению материала, касающегося механизмов превращения вещества и энергии. При этом мы сохраним единый методологический (методический) подход к изучению явлений живого, связанных с превращением вещества, энергии и информации, опираясь на понятия, законы и теории базовых для биологии наук — физики и химии. Только при таком подходе мы можем опираться и развивать фундаментальное понятие «окислительно-восстановительная реакция» в школьном курсе общей биологии.

Кардинальное решение обозначенной выше проблемы возможно лишь на основе принципиальной перестройки базисного учебного плана и содержания предметов естественнонаучного цикла. Суть этих инноваций изложена в первой главе.

4.2. Роль исторического и системного подходов при формировании понятия «обмен веществ»

Понятия как форма мышления отражают существенные свойства, связи и отношения предметов и явлений. На этом делают особый акцент ведущие специалисты в области методики. Так, один из ведущих методистов в области физики A.B. Усова в своей работе подчеркивает, что «.понятие является не просто формой отражения действительности. Оно является такой формой отражения, которая раскрывает сущность вещей, внутренние, коренные, определяющие свойства предметов, их внутреннюю противоречивую природу» [477, с. 10]. Специалисты в области методики биологии Н.М. Верзилин и В.М. Корсунская, констатируя основные принципы теории развития понятий, особо выделяют, что «наиболее существенное в образовании понятий заключается в их развитии и взаимосвязи» [70, с. 86].

Приведенные положения могут быть использованы в качестве методологических подходов при анализе и снятии проблем, которые высвечиваются в процессе формировании фундаментальных понятий, в том числе и такого важнейшего общебиологического понятия как «обмен веществ».

При формировании понятия «обмен веществ» с одной стороны, необходимо опираться на содержательную базу более общих естественнонаучных понятий, и, прежде всего, таких как «вещество», «энергия», «информация», а с другой, - для его определения, использовать более частные понятия («анаболизм», «катаболизм» и т. п.), через которые выражается его сущность. Отсюда следует, что уровень сформированности понятия «обмен веществ» будет зависеть как минимум от решения двух задач. Во-первых, необходимо изначально создать физико-химическую понятийную базу, которая определит стратегию формирования данного понятия. Во-вторых, грамотно (научно обоснованно) использовать методологический потенциал самого понятия «обмен веществ» для формирования более частных биологических понятий. Решение первой задачи требует внесения кардинальных изменений в учебный план по естественным дисциплинам, а также в их содержание. В этом направлении весьма плодотворно работает коллектив преподавателей под руководством академика РАО A.B. Усовой [486]. Вторая задача может быть решена в случае установления строго определенного содержания и четкой иерархической преемственности более частных биологических понятий. Иначе говоря, в определениях этих понятий, которые приводятся в справочной литературе, учебниках и учебных пособиях должно быть четко зафиксировано их содержание, объем и взаимосвязь. Они не должны иметь двойной интерпретации.

Анализ справочной литературы, школьных и вузовских учебников, как отечественных, так и зарубежных авторов свидетельствует, что такие требования зачастую не соблюдаются. Это выражается в неоднозначном толковании, как общего понятия «обмен веществ», так и более частных - «анаболизм», «катаболизм» и др., которые используются для характеристики взаимодействия организмов с окружающей средой. Практика показывает, что не только школьники и студенты, но даже преподаватели вуза зачастую не могут правильно установить иерархическую соподчиненность таких понятий как: «обмен веществ», «метаболизм», «катаболизм», «анаболизм», «ассимиляция», «диссимиляция». Основная причина тому - разночтения в литературных источниках, авторы которых зачастую сами не видят иерархию этих понятий.

Список литературы диссертационного исследования доктор педагогических наук Похлебаев, Сергей Михайлович, 2007 год

1. Источники, в которых используется только одна триада понятий: «обмен веществ», «ассимиляция», «диссимиляция». Такой вариант встречается как в более поздних изданиях, так и в современных источниках 182; 338.

2. Литература (в том числе и энциклопедическая), в которой понятия «обмен веществ» «метаболизм», «ассимиляция» - «анаболизм», «диссимиляция» - «катаболизм» используются как синонимы 45; 336; 419.

3. Учебные пособия, где понятия «обмен веществ» и «метаболизм» приводятся как синонимы, а для их интерпретации используются только понятия «ассимиляция» и «диссимиляция» 348.

4. Учебники и пособия, авторы которых отказались от изначальной триады понятий «обмен веществ», «ассимиляция», «диссимиляция», заменив их другой триадой «метаболизм», «анаболизм», «катаболизм». 363-392.

5. Развитие фундаментальных естественнонаучных понятий «вещество» и «энергия» в физике, химии и биологии

6. К вопросу о формировании понятия «энергетический обмен» в школьном курсе биологии

7. Вполне естественно, что от понимания сущности этих понятий, их логической взаимосвязи будет зависеть глубина и верность сформированности итогового понятия обмена веществ.

8. Анализ учебников по общей биологии отечественных авторов дает основание отметить ряд недостатков, которые не позволяют на должном уровне сформировать у школьников понятие об обмене веществ и более того, вносят в их головы путаницу 293; 336-338.

9. Одним из таких недостатков является неверная интерпретация понятия «энергетический обмен». Следует отметить, что в справочной литературе такое понятие как самостоятельное вообще не выделяется 45; 393; 419.

10. Не выделено оно и в предметных указателях солидных изданий отечественных и зарубежных авторов 6; 141; 419.

11. Следуя законам формальной логики, не трудно доказать, что оба явления (превращение вещества и энергии), свойственные обмену веществ присущи одновременно и его составным частям анаболизму и катаболизму.