Исследовательская работа «Методические особенности реализации метапредметных связей на примере физики и биологии»
методическая разработка на тему

МОУ «СОШ д. Юрловка Саратовского района Саратовкой области»

Исследовательская работа по теме:

«Методические особенности реализации метапредметных связей на примере физики и биологии»

Выполнил: учитель физики Березюк Ольга Вячеславовна

СОДЕРЖАНИЕ

Введение                                                          

1. Координация учебного материала по предметам естественнонаучного цикла

2. Физические явления и закономерности на примерах живой природы

2.1. Использование элементов биофизики при изучении раздела «механики»

2.2. Роль атмосферного давления в жизни живых организмов

2.3. «Строительная техника» в мире живой природы

2.4. Элементы биофизики при изучении теплоты в  молекулярных явлениях

Заключение

Список используемой литературы

Введение

   В настоящее время проблема метапредметных связей находит новые дидактические и методические решения в современных школьных программах и учебниках отвечающих требованиям нового ФГОС.

   Важность самой идеи метапредметных связей заключается в невозможности формирования на данном этапе мировоззрения обучающихся и их воспитания без связи разных школьных дисциплин на основе единого диалектического метода познания. В связи с этим в метапредметных связях имеются две взаимосвязанные основные тенденции: координация и интеграция.  

   В данной исследовательской  работе  рассмотрена взаимосвязь физики и биологии, чаще именуемой как биофизика.

Биофизика – это наука, изучающая физические и физико-химические процессы, протекающие в биосистемах на разных уровнях организации и являющиеся основой физиологических актов.

   Содержание биофизического материала должно обеспечить формирование у учащихся цельного представления о явлениях природы, сделать их знания более значительными, применимыми при изучении  предметов естественнонаучного цикла и физики, в частности.

      Поиск оптимального решения названной проблемы составляет суть исследования данной работы.

 Объектом исследования является процесс обучения физике в средней школе в связи с биологией, обеспечивающий развитие у учащихся интереса к физике и к изучению окружающего мира.

Предметом исследования является методика реализации метапредметных связей физики и биологии с учащимися.

 Общая цель исследования состоит в выявлении содержания, путей и средств реализации метапредметных связей физики и биологии с учащимися школы, направленных на развитие у учащихся познавательного интереса к предмету и расширение круга их знаний о роли физических явлений и процессов в жизнедеятельности живых организмов.

Исходя из цели исследования, в работе ставились следующие задачи:

- проанализировать состояние исследуемой проблемы в педагогической науке и школьной образовательной практике;

- выделить основные направления взаимного влияния физических и биологических наук;

- определить общепедагогические и дидактические принципы отбора материала для осуществления системы связи физики с биологией на уроках физики и факультативных занятиях;

- определить формы и методы реализации связи физики с биологией на учебных занятиях по физике, требующие минимальных затрат учебного времени, экспериментально проверить их эффективность.

Определенные возможности для осуществления связи физики с биологией имеются также в области переноса методов познания из одной учебной дисциплины в другую.

1. Координация учебного материала по предметам естественнонаучного цикла.

   Пути ознакомления учащихся с биофизическим материалом принципиально не отличаются от путей ознакомления их с элементами техники. Физика – основа техники; с другой стороны, физика хорошо применяется для исследований в биологии и помогает понять особенности строения, жизнедеятельности биологических объектов.

   В наши дни телевидение, Интернет  и популярная литература активно знакомят с достижениями бионики и биофизики.  В школе эту информацию необходимо обобщать и применять в нужный момент. Целый ряд биофизических сведений получают учащиеся на уроках природоведения, биологии, географии, на занятиях кружков, внеклассных мероприятиях,  за счет собственных наблюдений за растительным и животным миром. Это дает возможность очень интересно построить ряд уроков.

2. Физические явления и закономерностей на примерах живой природы.

   Физика - это развивающаяся наука, меняющая наши представления о природе.

   Физики ищут закономерности физических явлений, которым подчиняются их взаимосвязи с химическими и биологическими явлениями. Говоря о роли физики, выделим три основные составляющие:

- физика является для человека важнейшим источником знаний об окружающем мире;

    - физика, непрерывно расширяя и многократно умножая возможности человека, обеспечивает его уверенное продвижение по пути технического прогресса;

- физика вносит существенный вклад в развитие духовного облика человека, формирует его мировоззрение, учит ориентироваться в шкале культурных ценностей.

   Физика исследует фундаментальные закономерности явлений: это предопределяет ее ведущую роль во всем цикле естественных наук. Один из наиболее убедительных примеров - возникновение на стыке физики и других естественных наук новых научных дисциплин. Возник ряд комплексных наук, например физическая химия, астрофизика и др. Развилась биофизика - наука,  изучающая влияние физических факторов на живые организмы.

Иллюстрируя эти положения, можно привести ряд примеров.

   Пример: Все знают, что стрекоза способна зависать в воздухе, передвигаться в боковом направлении или резко подаваться назад. Причем все маневры она проделывает на большой скорости. Однако мало кому известно, что подъемная сила стрекозы втрое больше, чем у современного самолета. Используя особенности аэродинамики стрекозы, ученые полагают, что можно значительно повысить эффективность и безопасность летательных аппаратов. Самолеты, разработанные с учетом способностей стрекоз, смогут совершать более крутые развороты и будут менее восприимчивы к порывам ветра, которые, к сожалению, еще бывают причиной аварий. 

Пример: Курочка или петушок? Полноценная куриная семья состоит из одного петуха и десяти курочек. А в инкубаторах петушков рождается больше. Проблема в том, что их надо отделить и содержать в других условиях, откармливая как бройлерных цыплят, а это лишние затраты.  И тут помогла электроника!

   Итак, рассматривая связи физики и биологии, необходимо показать учащимся общность ряда законов живой и неживой природы, углубить представления о единстве материального мира, о его взаимосвязи и обусловленности явлений, их познаваемости, ознакомить с применением физических методов при изучении биологических процессов.

Важной задачей в  школе является создание в представлении учащихся общей картины мира с его единством и многообразием свойств неживой и живой природы. Целостность картины мира достигается наряду с другими приёмами и метапредметными связями.

   Уже на самых первых уроках ребята узнают о том, что все естественные науки используют законы физики. Эту мысль надо пояснить и расширить.

   При первом знакомстве с учебным предметом «физика» желательно показать учащимся приложимость ее законов к жизнедеятельности человека, растений, птиц, рыб и т. п. для этого можно сравнить полет птиц, насекомых и самолетов, рассказать о локации в животном мире в области неслышимых звуков.

   Можно, к примеру, рассказать о том, что изучение строения тела крота помогало инженерам создать землеройную машину, а наблюдения за дельфинами и рыбами помогают совершенствовать подводные лодки.

   Важно, чтобы обучающиеся с первых уроков поняли, что физика – ключ к пониманию явлений как неживой, так и живой природы.

Большую роль в ознакомлении с элементами биофизики может играть составление и решение задач по физике живой природы. 

Эти задачи должны удовлетворять определенным требованиям:

• они должны быть связаны с изучаемой темой курса физики,
• способствовать более прочному и глубокому усвоению физических закономерностей,

-  должны научить практическому применению этих закономерностей в биологии.

Биологические объекты, как правило, очень сложны и на протекающие в них процессы влияют многие факторы, которые часто зависят друг от друга. Физика позволяет создать упрощенные модели объекта, которые описываются законами термодинамики, электродинамики, квантовой и классической механики. С помощью корреляции физических данных с биологическими можно получить более глубокое понимание процессов в исследуемом биологическом объекте.

2.1. Использование элементов биофизики при изучении раздела «механика»

   Если рассматривать разделы курса физики, то при изучении «Механики» в теме «Движение  и взаимодействие » в 7 классе можно познакомить учащихся со скоростями движения разных животных.

     Многие рыбы перемещаются со средней скоростью около 4 км/ч, однако некоторые из них способны развивать и гораздо большие скорости; так, например, рыба-меч может развивать скорость до 140 км/ч.

  Здесь очень важно обратить внимание на оценку скоростей рыб в метрах в секунду, а также в длинах тела в секунду (скорость равна числу длин их тела, на которое они перемещаются в секунду).

 При изучении тем: «Масса тел. Плотность»

   При знакомстве с понятием «масса тела» и при составлении задач на определение плотности вещества и занимаемого телом объема целесообразно использовать такие типы задач как:

 1.Определить массу березовой древесины, если объем ее 5 м3.

 2.Какова масса льняного масла, занимающего объем 5 л?

 3.Определить объем сухого бамбука, если его масса 4800 кг.

 4.Определить плотность бальзового (прочное дерево, легче пробки) дерева, если масса его 50 т, а объем 500 м3.

   Большой биофизический материал может быть привлечен при изложении вопроса о силах трения. Известно, что жидкости, применяющиеся для уменьшения трения (масло, деготь и т. п.), всегда обладают значительной вязкостью. Также и в организме животных жидкости, служащие для уменьшения трения, в то же время очень вязкие.

   Кровь, например, более вязкая, чем вода. При движении по сосудистой системе она испытывает сопротивление, обусловленное внутренним трением. Чем сосуды тоньше, тем больше трение и тем больше падает давление крови.

   Значительное трение существенно для рабочих поверхностей органов движения. Необходимым условием перемещения является надежное сцепление между движущимся телом и опорой. Сцепление достигается либо заострениями на конечностях (когти, острые края копыт, подковные шипы) либо мелкими неровностями, например щетинками, чешуйками, бугорками и т. д. Необходимо значительное трение и для хватательных органов.

   Все они имеют форму, удобную для навивания, и шероховатую поверхность для увеличения коэффициента трения.

    Планирующий полет.

   Планирующий полет довольно часто наблюдается как в растительном, так и в животном мире. Многие плоды и семена снабжены либо пучками волосков (одуванчик, хлопчатник и т.д.), действующими наподобие парашюта, либо поддерживающими плоскостями в форме отростков и выступов (хвойные растения, клен, береза, липа, многие зонтичные). Некоторые плоды и семена снабжены «планерами».

   Растительные планеры во многих отношениях даже совершеннее созданных человеком. Они поднимают, сравнительно со своей массой гораздо больший груз, кроме того, они обладают большей устойчивостью.

   Интересно строение тела белок-летяг, шерстокрылов и летучих мышей. Они пользуются своими перепонками для того, чтобы совершать большие прыжки. Белки – летяги могут перепрыгивать расстояния до 20-30 м. с верхушки одного дерева к нижним ветвям другого.

   Плавание и третий закон  Ньютона.

   В процессе движения рыбы и пиявки отталкивают воду назад, а сами движутся вперед. Плывущая пиявка отгоняет воду назад волнообразными движениями тела, а плывущая рыба – взмахами хвоста. Таким образом, движение рыб и пиявок может служить иллюстрацией третьего закона Ньютона.

    Реактивное движение в живой природе.

    Некоторые животные передвигаются по принципу реактивного движения, например, кальмары, осьминоги, каракатицы. Личинки стрекоз набирают воду в заднюю кишку, а затем выбрасывают ее и прыгают вперед за счет силы отдачи. Чтобы повысить скорость движения или число реактивных импульсов в единицу времени, необходима повышенная проводимость нервов, которые возбуждают сокращение мышц, обслуживающих «реактивный двигатель».

2.2. Роль атмосферного давления в жизни живых организмов.

    На тело человека, площадь поверхности которого при массе 60 кг и росте 160 см примерно равна 1,6 м2, действует сила 160000 Н, обусловленная атмосферным давлением. Каким же образом организм выдерживает такие нагрузки?

    Это достигается за счет того, что давление жидкостей, заполняющих сосуды тела, уравновешивает внешнее давление.

    С этим же вопросом тесно связана возможность нахождения под водой на большой глубине. Дело в том, что перенесение организма на другой уровень вызывает расстройство его функций. Это объясняется деформацией стенок сосудов, рассчитанных на определенное давление внутри снаружи. Кроме того, меняется при изменении давления и скорость многих химических реакций, вследствие чего меняется и химическое равновесие организма. При увеличении давления происходит усиленное поглощение газов жидкостями тела, а при его уменьшении – выделение растворенных газов. При быстром уменьшении давления вследствие интенсивного выделения газов кровь как бы закипает, что приводит к закупорке сосудов, нередко со смертельным исходом.

    Механизм действия разного рода присосок.

    Присоски имеют форму либо полушарообразной чаши с липкими краями и сильно развитой мускулатурой (края прижимаются к добыче, затем объем присоски увеличивается). Примером могут служить присоски пиявок и головоногих). Присоски состоят из ряда складок кожи в виде узких карманов. Края прикладываются к поверхности, на которой надо держаться; давление в них уменьшается, и атмосферное давление (для водных животных давление воды) сильнее прижимает присоску к поверхности. Например, рыба-прилипала или ремора, обладает присоской, которая занимает почти всю длину головы. Эта рыба присасывается к другим рыбам, камням, а также к лодкам и кораблям. Она присасывается так прочно, что ее легче разорвать, чем отцепить. Благодаря этому она может служить своеобразным рыболовным крючком. 

    Подобным образом устроены присоски свиного цепня, при помощи которых этот ленточный червь прицепляется к стенке кишечника человека. Строение этих присосок можно показать на влажном препарате цепня, который имеется в кабинете биологии.

2.3. «Строительная техника» в мире живой природы

    После изучения темы «Твердое тело» полезно рассказать об аналогиях  строительной техники и природе. Строительное искусство природы и техники развивается по одному и тому же принципу – экономии материалов и энергии.

Например, земляные работы: создание углублений, ям, тоннелей, пещер. Способ конструирования, напоминающий ткачество, используется для создания гнезд, ловушек, коконов. Поразительны легкость и изящество сети паука. Его постройки отличаются удивительной прочностью при малой массе.

Строительное искусство жилища медоносных пчел – строгая геометрия их сот, состоящих из правильных шестиугольных ячеек.

    Если рассмотреть поперечные разрезы стебля злака и современной фабричной трубы, то бросается глаза подобие их конструкций. Назначение трубы в том, чтобы создавать тягу и отводить вредные газы подальше от земли. По стеблю растения вверх от корней поднимаются растворы минеральных веществ и вода. Как труба, так и стебель находятся под постоянным воздействием однотипных статистических и динамических нагрузок – собственного веса, ветра и т. д.

2.4. Элементы биофизики при изучении теплоты в молекулярных явлениях.

    Диффузия и растительный мир

    В растительном мире очень велика роль диффузии.  

    Для деревьев, например, наблюдается особенно большое развитие поверхности (листовая крона), так как  диффузионный обмен сквозь поверхность листьев выполняет функцию не только дыхания, но частично и питания.

    Большую роль играют диффузионные процессы в снабжении кислородом природных водоемов и аквариумов. Кислород подает в более глубокие слои воды в стоячих водах за счет диффузии через их свободную поверхность.  Поэтому нежелательны всякие ограничения свободной поверхности воды.  Листья, покрывающие поверхность воды,  могут прекратить доступ кислорода к воде и привести к гибели ее обитателей.

Заключение

Биологические объекты, как правило, очень сложны, и на протекающие в них процессы влияют многие факторы, которые часто зависят друг от друга. Физика позволяет создать упрощенные модели объекта, которые описываются законами термодинамики, электродинамики, квантовой и классической механики.

 С помощью корреляции физических данных с биологическими можно получить более глубокое понимание процессов в исследуемом биологическом объекте.

В физике имеется множество методов, которые в своей первоначальной форме не могут быть использованы для исследований биологических объектов. Поэтому еще одной задачей биофизики является приспособление этих методов и методик для решения задач биологии.

Сегодня для получения информации в биологических системах применяют различные оптические методы, различные электрометрические методы, микроэлектродную технику, методы хемилюминесценции, лазерную спектроскопию, метод меченых атомов и др. Это используется, в частности, для медицинской диагностики и терапии.  

Это еще раз доказывает, что значение предмета биофизики огромно и перспективно.

Список используемой литературы:

1. Кац Ц.Б. Биофизика на уроках физики: - М.: Просвещение, 1988.

2. Шостак В.И. Природа наших ощущений. – М.: Просвещение, 1983.

3. Иваницкий Г.Р. Мир глазами биофизики. М.: Педагогика, 1985.