Назад вперед

Увага! Попередній перегляд слайдів використовується виключно для ознайомлення та може не давати уявлення про всі можливості презентації. Якщо вас зацікавила ця робота, будь ласка, завантажте повну версію.

Цілі:

• Створити уявлення про науку як найважливішу сферу людської діяльності.
• Познайомити учнів з особливостями та різноманітністю методів пізнання живого.
• Основні поняття: науковий факт, науковий метод, методи біологічних наук (описовий, порівняльний, історичний, експериментальний).

Засоби навчання:презентація, різні прилади чи їх схеми.

Етапи уроку

I. Перевірка знань та вмінь.

Фронтальна розмова з питань.

1) Які напрями у розвитку біології ви можете виділити?

2) Які великі вчені давнини зробили помітний внесок у розвиток біологічних знань?

3) Чому в середні віки про біологію як науку можна було говорити лише умовно?

4) Чому сучасну біологію вважають комплексною наукою?

5) Яка роль біології у суспільстві?

ІІ. Вивчення нового матеріалу.

1. Розповідь вчителя з елементами бесіди про науку як одну зі сфер людської діяльності, її цілі та методи; про особливості наукових знань, наукові факти.

Наука – одна із сфер людської діяльності, мета якої – вивчення та пізнання навколишнього світу. Для наукового пізнання необхідний вибір певних об'єктів дослідження, проблем та методів вивчення. Кожна наука має методи дослідження. Однак незалежно від того, які методи використовуються, для кожного вченого найважливішим залишається принцип "Нічого не приймай на віру". Головне завдання науки – побудова системи достовірного знання, заснованого на фактах та узагальненнях, які можна підтвердити чи спростувати. Наукові знання постійно беруться під сумнів і приймаються лише за достатніх доказів. Науковим фактомє лише той, який можна відтворити та підтвердити.

Науковий метод – це сукупність прийомів та операцій, що використовуються під час побудови системи наукових знань.

Вся історія розвитку біології наочно свідчить у тому, що вона визначалася розробкою та застосуванням нових методів дослідження.

2. Основними методами дослідження, що застосовуються у біологічних науках, є:

• Спостереження
• Опис
• Систематизація
• Порівняння
• Експеримент
• Аналітичний метод
• Історичний метод
• Моделювання

Розмова про ці методи з елементами самостійної роботи учнів із вивчення тексту підручника (п.2 стор.10-11) та з використанням презентації.

Фіксування в зошитах характерних рис методів дослідження в біології.

Підсумкова бесіда про етапи наукового дослідження. Може виступити заздалегідь підготовлений учень з повідомленням про ці етапи, збирання фактів, висування гіпотези, проведення експериментів, оформлення теорії з певними правилами та законами.

ІІІ. Підбиття підсумків уроку в процесі узагальнюючої бесіди:

Про завдання та цілі науки

Про значення методів для розвитку науки біології

Про найбільше поширення експериментального методу

Про застосування методу моделювання тощо.

IV. Домашнє завдання:

Вивчити параграф 2.Відповісти на запитання на сторінці 11.Виконати одне із завдань на сторінці 12.

Додаткова інформація.

Деякі вчені здійснюють серйозні дослідження в пошуках живих організмів, поки невідомих і не визнаних офіційною наукою, таких як реліктовий гомінід, якого нерідко називають сніговою людиною. Ці дослідження є основою нової галузі біологічної науки – криптозоології.

Біологія- Це наука. Що відрізняє науку з інших сфер людської діяльності? Підхід до вивчення явищ. Цей підхід – науковий метод.

Науковий метод- Сукупність основних способів отримання нових знань і методів вирішення завдань у рамках будь-якої науки.

Науковий метод передбачає певний системний підхід:

1. Спостереження фактів та їх вимір, тобто. опис спостереження - кількісне і якісне.
   
2. Аналіз отриманих результатів- Систематизація, виявлення головного та другорядного.
3. Узагальнення - формулювання гіпотезі потім уже - теорій.

4. Прогноз:формулювання наслідків із запропонованої гіпотези чи прийнятої теорії за допомогою дедукції, індукції чи інших логічних методів.

5. Перевіркапрогнозованих наслідків з допомогою експерименту.

Зверніть увагу на 5-ий пункт. Без нього не можна вважати підхід науковим!

Важливо розуміти різницю між поняттями гіпотезаі теорія.

• Гіпотеза-це твердження, припущення, яке ще не доведено.

Коли гіпотезу доводять, вона стає теорією, теорема або факт. Спростована гіпотеза переходить у розряд хибних тверджень. Гіпотеза, яка ще не доведена, але й не спростована, називається відкритою проблемою.

• Теорія- система знань, побудована на доведеною науковим методомгіпотеза.

Чому ми говоримо про цитологіїяк про клітинної теорії- Тому що цьому передував величезний науковий процесспостереження, збір статистики - якісні та кількісні дані; систематизація отриманих результатів, були сформульовані гіпотези та прогнози, які потім були експериментально перевірені та підтверджені.Більше того, на основі цієї теорії були зроблені такі припущення, і вони також були експериментально підтверджені.

Методи вивчення живих об'єктів

• Спостереження (емпіричний метод пізнання) опис того чи іншого біологічного об'єкта чи процесу;
• Порівняння — необхідно для того, щоб знайти закономірності - те, що є спільним для різних явищ;
• Експеримент -створюються умови, які точно відповідають спостеріганим, у своїй з'ясовуються властивості біологічних об'єктів; фіксуються якісні та кількісні характеристики.
• Історичний методінформація, відомості, дані, вже отримані та доведені в минулому, розкривають та пояснюють закони розвитку живої природи в сьогоденні.

Вважається ідеальним, коли використовуються всі ці методи разом.

Біологічний експеримент

1. Якісний експериментт - найпростіший вид біологічного експерименту - його мета - встановити наявність чи відсутність гаданого теоретично явища.
2. Вимірювальний експериментвиявлення якийсь кількісноїхарактеристика об'єкта чи процесу.

Спостереження, опис та вимірювання біологічних об'єктів

Спостереження- це безпосереднє, цілеспрямоване вивчення предметів, що спирається здебільшого такі чуттєві здібності людини, як відчуття, сприйняття, уявлення.

Емпіричний опис- це фіксація засобами природної чи штучної мови відомостей про об'єкти, дані у спостереженні.

По суті це «переклад» того, що було побачено чи почуто науковою мовою — поняття та визначення, знаки, схеми, малюнки, графіки та цифри (статистичні дані).

На відміну від експерименту, при емпіричному методі пізнання не можна втручатися в процес, що вивчається, не можна впливати або змінювати умови його протікання.

Для спостереження використовують також різні технічні — опосередковані кошти.

Процес природно - наукового пізнання істотно залежить від розвитку технічних засобів, що використовуються наукою.

Важко переоцінити роль біології. Саме завдяки йому людина відкрила для себе мікроорганізми. Сьогодні існують мікроскопи, дозволяють досліджувати живі організми на внутрішньоклітинному рівні.

Статистичні виміри- Виміри величин, що не змінюються в часі.

Динамічні виміри- Виміри величин, що змінюють своє значення в часі (тиск, температура, щільність популяції і т.д.)

Досить різноманітні, але вони базуються на наукових методах пізнання, які відрізняються певним підходом.

Знання цієї інформації допомагає відокремити дійсні наукові дослідження від різноманітних широкорозповсюджених навколонаукових експериментів.

Біологічні науки

ЗА СИСТЕМАТИЧНИМИ КАТЕГОРІЯМИ:

• вірусологія (царство віруси);
• мікробіологія, бактеріологія (царство бактерії);
• ботаніка (царство рослини);
• мікологія (царство гриби);
• зоологія (царство тварини):

ЗА РІВНЯМИ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИВОЇ МАТЕРІЇ:

• молекулярна біологія – на молекулярному рівні;
• цитологія, цитогенетика – на клітинному рівні;
• морфологія та фізіологія - на організмовому рівні;
• екологія, популяційна екологія - на популяційно-видовому, біогеоценотичному та біосферному рівні.

У ЗАЛЕЖНОСТІ ВІД ВИВЧАНИХ ПРОЦЕСІВ:

• генетика - наука про процеси спадковості та мінливості;
• ембріологія – наука про ембріональний розвиток;
• теорія еволюції – наука про еволюційне вчення;
• етологія- наука про поведінку тварин;
• загальна біологія - наука про закономірності та процеси, спільні для живої природи.

Створення системи точного перевіреного знання, заснованого на фактах, які можна підтвердити або навпаки спростувати, є головним завданням кожної науки. У біології також: отримані дані постійно ставляться під сумнів і допускаються лише тоді, коли є їм суттєві докази.

На сьогоднішній день ця наука розглядає всі живі системи. Для того щоб детально вивчити їх організацію та діяльність, походження, поширення, а також розвиток та зв'язок один з одним, з метою пізнання та виділення певних закономірностей, використовуються такі методи дослідження в біології:

1. Порівняльний – дозволяє вивчати шляхом порівняння подібності та відмінності живих організмів, а також їх частин. Отримані дані дають можливість об'єднувати групи рослин і тварини. Цей метод використовувався під час створення систематики й у підтвердження теорії еволюції. В даний час він застосовується практично у всіх напрямках цієї науки.

2. Описові методи дослідження в біології (спостереження, статистика) – дозволяють аналізувати та описувати явища, що відбуваються в живій природі, порівнювати їх, знаходячи певні закономірності, а також узагальнювати, відкривати нові види, класи та інше. Дані методи почали використовуватися ще в давнину, але на сьогоднішній день не втратили своєї актуальності і широко застосовуються в ботаніці, етології, зоології тощо.

3. Історичний - дає можливість виявити закономірності освіти та розвитку живих систем, їх структур та функцій, зіставляти їх із раніше відомими фактами. Даний метод використовувався Ч. Дарвіном для побудови його теорії, і сприяв перетворенню біології з описової в науку, що пояснює.

4. Експериментальні у біології:

а) моделювання - дозволяє вивчати будь-який процес чи явище, і навіть напрями еволюції шляхом відтворення в вигляді моделі з допомогою сучасних технологійта обладнання;

б) експеримент (досвід) - штучне створення у контрольованих умовах ситуації, що допомагає виявити глибоко приховані властивості живих об'єктів. Даний метод сприяє вивченню явищ ізольовано, завдяки чому можна досягати повтору результатів при відтворенні цих явищ в однакових умовах.

Експериментальні методи в біології служать не тільки для проведення дослідів та отримання відповідей на питання, але і для визначення правильності сформульованої на початку вивчення матеріалу гіпотези, а також для її коригування в процесі роботи.

У ХХ столітті дані способи дослідження стають провідними в цій науці завдяки появі сучасного обладнання для проведення дослідів, такого як, наприклад, томограф, електронний мікроскоп та інше.

В даний час в експериментальній біології широко використовуються біохімічні прийоми, хроматографія, а також техніка ультратонких зрізів, різні способи культивування та багато інших.

Експериментальні методи у поєднанні із системним підходом розширили пізнавальні можливості та відкрили нові шляхи для застосування знань практично у всіх сферах діяльності людини.

Перелічені у біології не вичерпують всього арсеналу способів отримання знань у науці, тому з-поміж них не можна проводити сувору кордон. Застосовувані разом один з одним, вони дають можливість відкривати нові явища і властивості живих системах за нетривалий період, і навіть встановлювати закономірності їх виникнення, розвитку та функціонування.

Короткий опис:

Сазонов В.Ф. Сучасні методи досліджень у біології [Електронний ресурс] // Кінезіолог, 2009-2018: [сайт]. Дата поновлення: 22.02.2018..__.201_). Матеріали з сучасних методів досліджень у біології, її розділах та суміжних дисциплінах.

Матеріали з сучасних методів досліджень у біології, її розділах та суміжних дисциплінах

Малюнок: Основні гілки біології

Нині біологія умовно поділяється на великі групи наук.

Біологія організмів: науки про рослини (ботаніка), тварин (зоологія), гриби (мікологія), мікроорганізми (мікробіологія). Ці науки вивчають окремі групи живих організмів, їх внутрішнє та зовнішня будова, спосіб життя, розмноження та розвиток.

Загальна біологія: молекулярний рівень (молекулярна біологія, біохімія та молекулярна генетика), клітинний (цитологія), тканинний (гістологія), органи та їх системи (фізіологія, морфологія та анатомія), популяції та природні спільноти (екологія). Інакше кажучи, загальна біологія вивчає життя різних рівнях.

Біологія тісно пов'язана з іншими науками. Так, на стику між біологією та хімією з'явилися біохімія та молекулярна біологія, між біологією та фізикою – біофізика, між біологією та астрономією – космічна біологія. Екологія, що знаходиться на стику біології та географії, нині часто сприймається як самостійна наука.

Завдання студентів з навчального курсу Сучасні методи біологічних досліджень

1. Ознайомлення з різноманітними методами досліджень у різних галузях біології.

Рішення та звітність:
1) Написання оглядового навчального реферату з методів дослідження різних галузях біології. Мінімальні вимогизміст реферату: опис 5 методів дослідження по 1-2 сторінки (шрифт 14, інтервал 1,5, поля 3-2-2-2 см) на кожен метод.
2) Надання доповіді (бажано у вигляді презентації) за одним із сучасних методів біології: об'єм 5±1 сторінка.
Очікувані результати навчання:
1) Поверхневе знайомство із широким набором методів досліджень у біології.
2) Поглиблене розуміння одного з методів дослідження та передача цього свого знання студентській групі.

2. Проведення навчального навчально-наукового дослідження від постановки мети до висновків із застосуванням необхідних вимогдо оформлення наукового звіту про дослідження.

Рішення:
Отримання первинних даних на лабораторних заняттях та в домашніх умовах. Допускається проведення частини такого дослідження у позааудиторний час.

3. Знайомство із загальними методами дослідження у біології.

Рішення:
Лекційний курс та самостійна роботаіз джерелами інформації. Доповідь з прикладу фактів з історії біології: обсяг 2±1 сторінка.

4. Застосування отриманих знань, умінь та навичок для проведення та оформлення власного дослідження у вигляді НДРС, курсової роботита/або випускної кваліфікаційної роботи.

Визначення понять

Методи дослідження - це засоби досягнення мети дослідницької роботи.

Науковий метод - це сукупність прийомів та операцій, що використовуються при побудові системи наукових знань.

Науковий факт - це результат спостережень та експериментів, який встановлює кількісні та якісні характеристики об'єктів.

Методологічна основа наукового дослідження - це сукупність методів наукового пізнання, які використовуються досягнення мети даного дослідження.

Методи загальнонаукові, експериментальні, методологічна основа – .

Сучасна біологія використовує поєднання методологічних підходів, вона використовує «єдність описово-класифікуючого та пояснювально-номотетичного підходів; єдність емпіричних досліджень із процесом інтенсивної теоретизації біологічного знання, що включає його формалізацію, математизацію та аксіоматизацію» [Ярилін А.А. Попелюшка стає принцесою, або Місце біології в ієрархії наук. // «Екологія життя і життя» №12, 2008. З. 4-11. С.11].

Завдання методів дослідження:

1. «Посилення природних пізнавальних здібностейлюдини, а також їх розширення та продовження».

2. «Комунікативна функція», тобто. посередництво між суб'єктом та об'єктом дослідження [Аршинов В.І. Синергетика як феномен постнекласичної науки. М: Ін-т філософії РАН, 1999. 203 с. С.18].

Загальні методи досліджень у біології

Спостереження

Спостереження - це дослідження зовнішніх ознакта видимих ​​змін об'єкта протягом певного проміжку часу. Наприклад, спостереження за зростанням та розвитком проростка.

Спостереження - це відправний пункт будь-якого природничо дослідження.

У біології це особливо добре помітно, тому що об'єкт її вивчення – людина та оточуюча його жива природа. Вже у школі під час уроків зоології, ботаніки, анатомії дітей вчать проведенню найпростіших біологічних досліджень шляхом спостереження зростанням і розвитком рослин та тварин, за станом власного організму.

Спостереження як засіб збирання інформації – хронологічно перший прийом дослідження, що виник арсеналі біології, а точніше, ще її попередниці – природної історії. І це не дивно, оскільки спостереження спирається на чуттєві здібності людини (відчуття, сприйняття, уявлення). Класична біологія – це біологія переважно спостережна.Проте цей метод не втратив свого значення і донині.

Спостереження можуть бути прямими або опосередкованими, вони можуть вестись за допомогою технічних пристроїв або без них. Так, орнітолог бачить птаха в бінокль і може чути його, а може фіксувати приладом звуки поза чутним людським вухом діапазону. Гістолог спостерігає за допомогою мікроскопа зафіксований та забарвлений зріз тканини. А для молекулярного біолога спостереженням можливо фіксація зміни концентрації ферменту в пробірці.

Важливо розуміти, що наукове спостереження, на відміну від звичайного, є не простим, але цілеспрямованевивчення об'єктів чи явищ: воно ведеться на вирішення поставленої завдання, і увага спостерігача має розсіюватися. Наприклад, якщо стоїть завдання вивчити сезонні міграції птахів, то ми помічатимемо терміни їх появи в місцях гніздування, а не будь-що інше. Таким чином, спостереження - це виборче виділенняз дійсності певної частини, інакше кажучи, аспекти, і включення цієї частини до системи, що вивчається.

У спостереженні важлива як точність, акуратність і активність спостерігача, а й його неупередженість, його знання та досвід, правильний вибір технічних засобів. Постановка завдання передбачає наявність плану спостережень, тобто. їхня планомірність. [Кабакова Д.В. Спостереження, опис та експеримент як основні методи біології // Проблеми та перспективи розвитку освіти: матеріали міжнар. наук. конф. (м. Перм, квітень 2011 р.). I. Перм: Меркурій, 2011. С. 16-19].

Описовий метод

Описовий метод - це фіксування зовнішніх ознак об'єктів дослідження з виділенням суттєвого і відкиданням несуттєвого. Цей метод стояв біля витоків біології, як науки, та її розвиток було неможливо без застосування інших методів дослідження.

Описові методи дозволяють спочатку описувати, та був аналізувати явища, які у живої природі, порівнювати їх, знаходячи певні закономірності, і навіть узагальнювати, відкривати нові види, класи та інше. Описові методи почали використовуватися ще в давнину, але на сьогоднішній день не втратили своєї актуальності та широко застосовуються у ботаніці, етології, зоології тощо.

Порівняльний метод

Порівняльний метод - це дослідження подібності та відмінності у будові, перебігу життєвих процесів та поведінці різних об'єктів. Наприклад, порівняння особин різної статі, що належать до одного біологічного виду.

Дозволяє вивчати об'єкти дослідження шляхом їхнього порівняння між собою або з іншим об'єктом. Дозволяє виявляти подібності та відмінності живих організмів, а також їх частин. Отримані дані дають можливість об'єднувати досліджені об'єкти групи за ознаками подібності у будову і походження. На основі порівняльного методу, наприклад, будується систематика рослин та тварин. Цей метод використовувався також при створенні клітинної теорії та для підтвердження теорії еволюції. В даний час він застосовується практично у всіх напрямках біології.

Цей метод утвердився у біології у XVIII ст. і виявився дуже плідним у вирішенні багатьох найбільших проблем. За допомогою цього методу та в поєднанні з описовим методом були отримані відомості, що дозволили у XVIII ст. закласти основи систематики рослин та тварин (К. Лінней), а в XIX ст. сформулювати клітинну теорію (М. Шлейден і Т. Шванн) та вчення про основні типи розвитку (К. Бер). Метод широко застосовувався у ХІХ ст. в обґрунтуванні теорії еволюції, а також у розбудові низки біологічних наук на основі цієї теорії. Проте використання цього не супроводжувалося виходом біології межі описової науки.
Порівняльний метод широко застосовується у різних біологічних науках і в наш час. Порівняння набуває особливої ​​цінності тоді, коли неможливо дати визначення поняття. Наприклад, за допомогою електронного мікроскопа часто одержують зображення, справжній вміст яких заздалегідь невідомий. Тільки порівняння їх із світломікроскопічними зображеннями дозволяє отримати бажані дані.

Історичний метод

Дозволяє виявити закономірності освіти та розвитку живих систем, їх структур та функцій, зіставляти їх із раніше відомими фактами. Даний метод, зокрема, успішно використовувався Ч. Дарвіном для побудови його еволюційної теорії і сприяв перетворенню біології з описової науки на пояснювальну науку.

У другій половині ХІХ ст. завдяки роботам Ч. Дарвіна історичний метод поставив на наукові засадидослідження закономірностей появи та розвитку організмів, становлення структури та функцій організмів у часі та просторі. Із запровадженням цього в біології відбулися значні якісні зміни. Історичний метод перетворив біологію з науки суто описової в пояснювальну науку, яка пояснює, як відбулися і як функціонують різноманітні живі системи. Нині історичний метод, чи " історичний підхід " став загальним підходом до вивчення явищ життя переважають у всіх біологічних науках.

Експериментальний метод

Експеримент - це перевірка вірності висунутої гіпотези з допомогою цілеспрямованого на об'єкт.

Експеримент (досвід) – штучне створення у контрольованих умовах ситуації, що допомагає виявити глибоко приховані властивості живих об'єктів.

p align="justify"> Експериментальний метод дослідження явищ природи пов'язаний з активним впливом на них шляхом проведення дослідів (експериментів) в контрольованих умовах. Цей метод дозволяє вивчати явища ізольовано і досягати повторюваності результатів при відтворенні тих самих умов. Експеримент забезпечує глибше, ніж інші методи дослідження, розкриття сутності біологічних явищ. Саме завдяки експериментам природознавство загалом та біологія зокрема дійшли до відкриття основних законів природи.
Експериментальні методи в біології служать не тільки для проведення дослідів та отримання відповідей на питання, але і для визначення правильності сформульованої на початку вивчення матеріалу гіпотези, а також для її коригування в процесі роботи. У ХХ столітті дані способи дослідження стають провідними в цій науці завдяки появі сучасного обладнання для проведення дослідів, такого як, наприклад, томограф, електронний мікроскоп та інше. В даний час в експериментальній біології широко використовуються біохімічні прийоми, рентгеноструктурний аналіз, хроматографія, а також техніка ультратонких зрізів, різні способи культивування та багато інших. Експериментальні методи у поєднанні із системним підходом розширили пізнавальні можливості біологічної науки та відкрили нові шляхи для застосування знань практично у всіх сферах діяльності людини.

Питання експеримент як однієї з основ у пізнанні природи, було поставлено ще XVII в. англійським філософом Ф. Беконом (1561–1626). Його запровадження біологію пов'язані з роботами У. Гарвея XVII в. вивчення кровообігу. Однак експериментальний методшироко увійшов у біологію лише в початку XIXв., причому через фізіологію, в якій почали використовувати велика кількістьінструментальних методик, що дозволяли реєструвати та кількісно характеризувати приуроченість функцій до структури. Завдяки працям Ф. Мажанді (1783-1855), Г. Гельмгольця (1821-1894), І.М. Сєченова (1829-1905), а також класиків експерименту К. Бернара (1813-1878) та І.П. Павлова (1849-1936) фізіологія, мабуть, першою з біологічних наук стала експериментальною наукою.
Іншим напрямом, яким у біологію увійшов експериментальний метод, виявилося вивчення спадковості і мінливості організмів. Тут найголовніша заслуга належить Р. Менделю, який, на відміну своїх попередників, використовував експеримент як отримання даних про досліджувані явища, а й перевірки гіпотези, формулируемой з урахуванням одержуваних даних. Робота Г. Менделя стала класичним зразком методології експериментальної науки.

В обґрунтуванні експериментального методу важливе значення мали роботи, виконані в мікробіології Л. Пастером (1822-1895), який вперше ввів експеримент для вивчення бродіння та спростування теорії спонтанного зародження мікроорганізмів, а потім для розробки вакцинації проти інфекційних хвороб. У другій половині ХІХ ст. за Л. Пастером значний внесок у розробку та обгрунтування експериментального методу в мікробіології внесли Р. Кох (1843-1910), Д. Лістер (1827-1912), І.І. Мечніков (1845-1916), Д.І. Івановський (1864-1920), С.М. Виноградський (1856-1890), М. Бейєрнік (1851-1931) та ін. У XIX ст. біологія збагатилася також створенням методичних основ моделювання, яке є також найвищою формоюексперименту. Винахід Л. Пастером, Р. Кохом та іншими мікробіологами способів зараження лабораторних тварин патогенними мікроорганізмами та вивчення на них патогенезу інфекційних хвороб – це класичний приклад моделювання, що перейшло у XX ст. і доповненого у наш час моделюванням не лише різних хвороб, а й різноманітних життєвих процесів, включаючи походження життя.
Починаючи, наприклад, з 40-х років. XX ст. експериментальний метод у біології зазнав значного вдосконалення за рахунок підвищення роздільної здатності багатьох біологічних методик та розробки нових експериментальних прийомів. Так, була підвищена роздільна здатність генетичного аналізу, низки імунологічних методик. У практику досліджень було запроваджено культивування соматичних клітин, виділення біохімічних мутантів мікроорганізмів і соматичних клітин тощо. буд. Експериментальний метод став широко збагачуватися методами фізики і хімії, які виявилися цінними у ролі самостійних методів, а й у поєднані із біологічними методами. Наприклад, структура та генетична роль ДНК були з'ясовані в результаті поєднаного використання хімічних методіввиділення ДНК, хімічних та фізичних методів визначення її первинної та вторинної структурита біологічних методів (трансформації та генетичного аналізу бактерій), докази її ролі як генетичного матеріалу.
В даний час експериментальний метод характеризується винятковими можливостями вивчення явищ життя. Ці можливості визначаються використанням мікроскопії різних видів, включаючи електронну з технікою ультратонких зрізів, біохімічних методів, високороздільного генетичного аналізу, імунологічних методів, різноманітних методів культивування та прижиттєвого спостереження в культурах клітин, тканин і органів, маркування ембріонів, запліднення в пробірці, методу мічених атомів, рентген хроматографії, електрофорезу, секвенування, конструкції біологічно активних рекомбінантних молекул ДНК і т. д. Нова якість, закладена в експериментальному методі, викликала якісні зміни і в моделюванні. Поруч із моделюванням лише на рівні органів нині розвивається моделювання на молекулярному і клітинному рівнях.

Метод моделювання

Моделювання ґрунтується на такому прийомі, як аналогія - це висновок про схожість об'єктів у певному відношенні на основі їх подібності в ряді інших відносин.

Модель - це спрощена копія об'єкта, явища чи процесу, що замінює в певних аспектах.

Модель це те, з чим зручніше працювати, тобто те, що легше побачити, почути, запам'ятати, записати, обробити, передати, успадковувати, з чим легше експериментувати, порівняно з об'єктом моделювання (прототипом, оригіналом).
Каркіщенко Н.М. Основи біомоделювання. – М.: ВПК, 2005. – 608 с. С. 22.

Моделювання - це, відповідно, створення спрощеної копії об'єкта, явища чи процесу.

Моделювання:

1) створення спрощених копій об'єктів пізнання;

2) вивчення об'єктів пізнання з їхньої спрощених копіях.

Метод моделювання - це дослідження властивостей певного об'єкта у вигляді вивчення властивостей іншого об'єкта (моделі), зручнішого на вирішення завдань дослідження і що у певному відповідність до першим об'єктом.

Моделювання (у широкому значенні) – це основний метод дослідження у всіх галузях знань. Методи моделювання використовуються для оцінок характеристик складних систем та ухвалення науково обґрунтованих рішень у різних сферах людської діяльності. Існуючу або проектовану систему можна ефективно дослідити за допомогою математичних моделей (аналітичних та імітаційних) з метою оптимізації процесу функціонування системи. Модель системи реалізується на сучасних комп'ютерах, які у разі виступають як інструмент експериментатора з моделлю системи.

Моделювання дозволяє вивчати будь-який процес або явище, а також напрями еволюції шляхом відтворення їх у вигляді більш простого об'єкта за допомогою сучасних технологій та обладнання.

Теорія моделювання – теорія заміщення об'єкта-оригіналу його моделлю та дослідження властивостей об'єкта на його моделі.
Моделювання - Метод дослідження, заснований на заміні досліджуваного об'єкта-оригіналу його моделлю і на роботі з нею (замість об'єкта).
Модель (Об'єкта-оригіналу) (від латів. modus – «захід», «обсяг», «образ») – допоміжний об'єкт, що відображає найбільш суттєві для дослідження закономірності, суть, властивості, особливості будови та функціонування об'єкта-оригіналу.
Коли говорять про моделювання, зазвичай мають на увазі моделювання певної системи.
Система - Сукупність взаємопов'язаних елементів, об'єднаних для реалізації спільної мети, відокремлена від навколишнього середовища та взаємодіє з нею як цілісне ціле і виявляє при цьому основні системні властивості. В виділено 15 основних системних властивостей, до яких належать: емергентність (емерджентність); цілісність; структурованість; цілісність; підпорядкованість мети; ієрархічність; нескінченність; ергатичність; відкритість; незворотність; єдність структурної стійкості та нестійкості; нелінійність; потенційна багатоваріантність актуальних структур; критичність; непередбачуваність у критичній галузі.
При моделюванні систем використовують два підходи: класичний (індуктивний), що склався історично першим, і системний, що отримав розвиток останнім часом.

Класичний підхід. Історично першим склався класичний підхід до вивчення об'єкта, моделювання системи. Реальний об'єкт, що підлягає моделюванню, розбивається на підсистеми, вибираються вихідні дані (Д) для моделювання та ставляться цілі (Ц), що відображають окремі сторони процесу моделювання. За окремою сукупністю вихідних даних ставиться мета моделювання окремої сторони функціонування системи, з урахуванням цієї мети формується деяка компонента (К) майбутньої моделі. Сукупність компонентів об'єднується в модель.
Т.о. відбувається підсумовування компонентів, кожна компонента вирішує свої власні завдання та ізольована з інших частин моделі. Застосуємо підхід лише для простих систем, де не можна враховувати взаємозв'язку між компонентами. Можна відзначити дві відмінні сторони класичного підходу: 1) спостерігається рух від приватного до загального під час створення моделі; 2) створена модель (система) утворюється шляхом підсумовування окремих її компонентів і не враховує виникнення нового системного ефекту.

Системний підхід – методологічна концепція, заснована на прагненні збудувати цілісну картинудосліджуваного об'єкта з урахуванням важливих для розв'язуваного завдання елементів об'єкта, зв'язків між ними та зовнішніх зв'язків з іншими об'єктами та довкіллям. З ускладненням об'єктів моделювання виникла необхідність їх спостереження з більш високого рівня. І тут розробник розглядає цю систему як деяку підсистему вищого рангу. Наприклад, якщо ставиться завдання проектування АСУ підприємства, з позиції системного підходуне можна забувати, що ця система є складовоюАСУ об'єднанням. У основі системного підходу лежить розгляд системи як інтегрованого цілого, причому цей розгляд розробки починається з головного – формулювання мети функціонування. Важливим для системного підходу є визначення структури системи – сукупності зв'язків між елементами системи, що відбивають їхню взаємодію.

Існують структурні та функціональні підходи до дослідження структури системи та її властивостей.

При структурний підхід виявляються склад виділених елементів системи та зв'язку між ними.

При функціональному підході розглядаються алгоритми поведінки системи (функції - властивості, що призводять до досягнення мети).

Види моделювання

1. Предметне моделювання при якому модель відтворює геометричні, фізичні, динамічні або функціональні характеристики об'єкта. Наприклад, модель мосту, греблі, модель крила
літака і т.д.
2. Аналогове моделювання , коли модель і оригінал описуються єдиним математичним співвідношенням. Прикладом можуть бути електричні моделі, використовувані вивчення механічних, гідродинамічних і акустичних явищ.
3. Знакове моделювання , коли в ролі моделей виступають схеми, креслення, формули. Роль знакових моделей особливо зросла розширенням масштабів застосування ЕОМ при побудові знакових моделей.
4. Зі знаковим тісно пов'язано уявне моделювання , При якому моделі набувають подумки наочний характер. Прикладом може у разі служити модель атома, запропонована свого часу Бором.
5. Модельний експеримент. Нарешті, особливим видом моделювання є включення в експеримент не самого об'єкта, а його моделі, внаслідок чого останній набуває характеру модельного експерименту. Цей вид моделювання свідчить про те, що немає жорсткої межі між методами емпіричного та теоретичного пізнання.
З моделюванням органічно пов'язана ідеалізація - Уявне конструювання понять, теорій про об'єкти, які не існують і не здійсненні насправді, але таких, для яких існує близький прообраз або аналог у реальному світі. Прикладами збудованих цим методом ідеальних об'єктів є геометричні поняття точки, лінії, площини і т.д. Із подібними ідеальними об'єктами оперують усі науки - ідеальний газ, абсолютно чорне тіло, суспільно-економічна формація, держава і т.д.

Методи моделювання

1. Натурне моделювання – експеримент на об'єкті, що досліджується, який за спеціально підібраних умов досвіду служить моделлю самого себе.
2. Фізичне моделювання - Експеримент на спеціальних установках, що зберігають природу явищ, але відтворюють явища в кількісно зміненому масштабованому вигляді.
3. Математичне моделювання - Використання моделей по фізичній природі, що відрізняються від моделюються об'єктів, що мають подібний математичний опис. Натурне і фізичне моделювання можна поєднати в один клас моделей фізичної подоби, тому що в обох випадках модель і оригінал однакові за фізичною природою.

Методи моделювання можна класифікувати на три основні групи: аналітичні, чисельні та імітаційні.

1. Аналітичні методи моделювання. Аналітичні методи дозволяють отримати характеристики системи як функції параметрів її функціонування. Таким чином, аналітична модель є системою рівнянь, при вирішенні якої отримують параметри, необхідні для розрахунку вихідних характеристик системи (середній час обробки завдання, пропускну здатність і т.д.). Аналітичні методи дають точні значення характеристик системи, але застосовуються на вирішення лише вузького класу завдань. Причини цього ось у чому. По-перше, внаслідок складності більшості реальних систем їх закінчений математичний опис (модель) або немає, або ще розроблено аналітичні методи рішення створеної математичної моделі. По-друге, при виведенні формул, на яких ґрунтуються аналітичні методи, приймаються певні припущення, які не завжди відповідають реальній системі. І тут від застосування аналітичних методів доводиться відмовлятися.

2. Чисельні методи моделювання. Чисельні методи передбачають перетворення моделі до рівнянь, вирішення яких можливе методами обчислювальної математики. Клас завдань, розв'язуваних цими методами, значно ширший. В результаті застосування чисельних методів одержують наближені значення (оцінки) вихідних характеристик системи із заданою точністю.

3. Імітаційні методи моделювання. З розвитком обчислювальної техніки широкого застосування набули імітаційні методимоделювання для аналізу систем, що переважають у яких є стохастичні впливи.
Суть імітаційного моделювання (ІМ) полягає в імітації процесу функціонування системи у часі, з дотриманням таких самих співвідношень тривалості операцій як у системі оригіналі. При цьому імітуються елементарні явища, що становлять процес, зберігається їхня логічна структура, послідовність протікання в часі. В результаті застосування ІМ отримують оцінки вихідних характеристик системи, які необхідні під час вирішення завдань аналізу, управління та проектування.

У біології, наприклад, можна побудувати модель стану життя у водоймищі через деякий час при зміні одного, двох або більше параметрів (температури, концентрації солей, наявності хижаків та ін.). Такі прийоми стали можливі завдяки проникненню в біологію ідей та принципів кібернетики – науки про управління.

В основу класифікації видів моделювання можна покласти різні ознаки. Залежно від характеру досліджуваних процесів у системі моделювання може бути поділено на детерміноване та стохастичне; статичне та динамічне; дискретне та безперервне.
Детерміноване моделювання застосовується на дослідження систем, поведінка яких можна цілком точно передбачити. Наприклад, шлях, пройдений автомобілем, при рівноприскореному русів ідеальних умовах; пристрій, що зводить у квадрат число і т.п. Відповідно, у цих системах протікає детермінований процес, який адекватно описується детермінованою моделлю.

Стохастичне (Теоретико-імовірнісне) моделювання застосовується для дослідження системи, стан якої залежить не тільки від контрольованих, але і від неконтрольованих впливів або в ній є джерелом випадковості. До стохастичним системам відносяться всі системи, які включають людину, наприклад, заводи, аеропорти, обчислювальні системи та мережі, магазини, підприємства побутового обслуговування тощо.
Статичне моделювання служить для опису систем у момент часу.

Динамічне моделювання відбиває зміна системи у часі (вихідні характеристики системи у час визначаються характером вхідних впливів у минулому і теперішньому). Приклад динамічних систем є біологічні, економічні, соціальні системи; такі штучні системи, як завод, підприємство, потокова лінія тощо.
Дискретне моделювання застосовують для дослідження систем, в яких вхідні та вихідні характеристики вимірюється або змінюється в часі дискретно, інакше застосовують безперервне моделювання. Наприклад, електронний годинник, електролічильник - дискретні системи; сонячний годинник, нагрівальні прилади – безперервні системи.
Залежно від форми уявлення об'єкта (системи) можна виділити уявне та реальне моделювання.
При реальному (Натурному) моделюванні Вивчення параметрів системи проводиться на справжньому об'єкті, або на його частини. Реальне моделювання – найбільш адекватне, та його можливості, з урахуванням особливостей реальних об'єктів, обмежені. Наприклад, проведення реального моделювання з АСУ підприємства вимагає, по-перше, створення АСУ; по-друге, проведення експериментів із підприємством, що неможливо. До реального моделювання відносять виробничий експеримент та комплексні випробування, які мають високим ступенемдостовірності. Інший вид реального моделювання – фізичне. При фізичному моделюванні дослідження проводиться на установках, які зберігають природу явища і мають фізичну подобу.
Думкове моделювання застосовується для моделювання систем, що практично не реалізуються на заданому інтервалі часу. У основі уявного моделювання лежить створення ідеальної моделі, заснованої на ідеальній, розумової аналогії. Розрізняють два види уявного моделювання: образне (наочне) та знакове.
При образному моделюванні з урахуванням уявлень про реальні об'єкти створюються різні наочні моделі, що відображають явища і процеси, які у об'єкті. Наприклад, моделі частинок газів у кінетичній теорії газів у вигляді пружних куль, що впливають одна на одну під час зіткнення.
При знаковому моделюванні описують модельовану систему за допомогою умовних знаків, символів, зокрема, у вигляді математичних, фізичних та хімічних формул. Найбільш потужний та розвинений клас знакових моделей представляють математичні моделі.
Математична модель – це штучно створений об'єкт у вигляді математичних, знакових формул, що відображає та відтворює структуру, властивості, взаємозв'язки та відносини між елементами досліджуваного об'єкта. Далі розглядаються лише математичні моделі та відповідно математичне моделювання.
Математичне моделювання - Метод дослідження, заснований на заміні досліджуваного об'єкта-оригіналу його математичною моделлю та на роботі з нею (замість об'єкта). Математичне моделювання можна розділити на аналітичне (АМ) , імітаційне (ІМ) , комбіноване (КМ) .
При АМ створюється аналітична модель об'єкта як алгебраїчних, диференціальних, конечно-разностных рівнянь. Аналітична модель досліджується або аналітичними методами, чи чисельними методами.
При ЇМ створюється імітаційна модель, використовується метод статистичного моделювання для реалізації імітаційної моделіна комп'ютері.
При КМ проводиться декомпозиція процесу функціонування системи підпроцеси. Для тих, де це можливо, використовують аналітичні методи, інакше – імітаційні.

Список літератури

1. Айвазян С.А., Єнюков І.С., Мешалкін Л.Д. Прикладна статистика: Основи моделювання та первинна обробка даних. - М.: «Фінанси та статистика», 1983. - 471 с.
2. Альсова О.К. Моделювання систем (частина 1): Методичні вказівкидо лабораторним роботамз дисципліни «Моделювання» для студентів ІІІ – ІV курсів АВТФ. - Новосибірськ: Вид-во НДТУ, 2006. - 68с. Моделювання систем (частина 2): Методичні вказівки до лабораторних робіт з дисципліни "Моделювання" для студентів ІІІ – ІV курсів АВТФ. - Новосибірськ: Вид-во НДТУ, 2007. - 35 с.
3. Альсова О.К. Моделювання систем: навч. посібник/О.К. Альсова. – Новосибірськ: Вид-во НДТУ, 2007 – 72 с.
4. Боровіков В.П. Statistica 5.0. Мистецтво аналізу даних на комп'ютері Для професіоналів. 2-ге вид. - СПб.: Пітер, 2003. - 688 с.
5. Вентцель Є.С. Дослідження операцій. - М.: вища школа, 2000. - 550 с.
6. Губарєв В.В. Імовірнісні моделі / Новосиб. електротехн. ін-т. - Новосибірськ, 1992. - Ч.1. - 198 с; Ч.2. - 188 с.
7. Губарєв В.В. Системний аналіз у експериментальних дослідженнях. - Новосибірськ: Вид-во НДТУ, 2000. - 99 с.
8. Денисов А.А., Колесніков Д.М. Теорія великих систем управління: Навч. посібник для вузів. - Л. Видавництво, 1982. - 288 с.
9. Дрейпер Н., Сміт Р. Прикладний регресійний аналіз. - М.: Статистика, 1973.
10. Карпов Ю. Імітаційне моделювання систем. Введення в моделювання з AnyLogic 5. - СПб.: БХВ-Петрбург, 2005. - 400 с.
11. Кельтон, Лоу А. Імітаційне моделювання. Класика CS. 3-тє вид. - СПб.: Пітер; Київ: 2004. - 847 с.
12. Лемешко Б.Ю., Постовалов С.М. Комп'ютерні технології аналізу даних та дослідження статистичних закономірностей: Навч. допомога. - Новосибірськ: Вид-во НДТУ, 2004. - 120 с.
13. Моделювання систем. Практикум: Навч. посібник для вузів/Б.Я. Рад, С.А. Яковлєв. - 2-ге вид., перероб. та дод. - М.: Вища школа, 2003. - 295 с.
14. Рижиков Ю.І. Імітаційне моделювання. Теорія та технології. - СПб.: КОРОНА принт; М.: Альтекс-А, 2004. - 384 с.
15. Рад Б.Я., Яковлєв С.А. Моделювання систем (3-тє вид.). - М.: Вища школа, 2001. - 420 с.
16. Теорія випадкових процесівта її інженерні програми: Навч. посібник для вузів/Е.С. Вентцель, Л.А. Вівчарів. - 3-тє вид. перероб. та дод. - М.: Видавничий центр «Академія», 2003. - 432 с.
17. Томашевський В., Жданова Є. Імітаційне моделювання в середовищі GPSS. - М.: Бестселер, 2003. - 416 с.
18. Хачатурова С.М. Математичні методи системного аналізу: Навч. посібник. - Новосибірськ: Вид-во НДТУ, 2004. - 124 с.
19. Шеннон Р. Імітаційне моделювання систем - мистецтво та наука. - М.: Світ, 1978.
20. Шрайбер Т.Дж. Моделювання на GPSS. - М.: Машинобудування, 1980. - 593 с.
21. Арсеньєв Б.П., Яковлєв С.А. Інтеграція розподілених баз даних. - Спб.: Лань, 2001. - 420 с.

На відміну від плітки, наукове знання перевіряється і стосується реально існуючих речей і подій, що повторюються. Будь-яка людина, за бажання, може повторити будь-який науковий експеримент, тобто переконатися, що на певне питання природа «відповідає» саме таким чином. З цього уроку ви дізнаєтесь, звідки беруться наукові знання, що таке науковий факт, гіпотеза і теорія, познайомитеся з основними уявленнями про науковий метод, з'ясуйте, якими методами здобуття знань користується біологія. В уроці приділено увагу порівняльно-описовому, історичному та експериментальному методам.

Тема: Введення

Урок: Методи дослідження у біології

Наука- це одна із сфер людської діяльності, метою якої є вивчення та пізнання навколишнього світу. Кожна наука має свої методи дослідження, але завдання будь-якої науки - побудова системи достовірного знання, заснованого на фактахі узагальнення, які можна було б підтвердити чи спростувати.

Науковим фактом є лише той, який можна відтворити чи підтвердити. Спостереження, які не можуть бути відтворені, відкидаються, як ненаукові. Коли вчений робить відкриття, він публікує інформацію про нього в спеціальних журналах, завдяки публікації результати можуть бути перевірені та перевірені ще іншими вченими - це служить стимулом для більш ретельної перевірки та аналізу власних експериментів.

Ще однією формою поширення знань є симпозіуми та конференції, які організуються вченими різних спеціальностей (ботаніками, зоологами, генетиками, медиками тощо). Під час таких заходів вчені спілкуються, обговорюють роботи колег, налагоджують творчі зв'язки.

Науковий метод- це сукупність прийомів та операцій, що використовуються при побудові системи наукового знання.

Один з основних принципів наукового методу – скептицизм – відмова від сліпої довіри до авторитету. Вчений завжди зберігає певну частку скепсису та перевіряє будь-яке нове відкриття.

Основними методами біологіїє: описовий, порівняльний, історичнийі експериментальний.

Описовий методє найдавнішим, тому що його використовували ще вчені давнини, в основі лежить спостереження. Приблизно до 17 століття він був основним у біології, оскільки вчені займалися описом тварин і рослин та їх первинною систематизацією, але він не втратив актуальності в даний час, наприклад, він використовується для опису нових видів (див. рис. 1).

Мал. 1. Нові види тварин, описані вченими

Порівняльний метод- дозволяє виявити подібність між організмами та його частинами. Він почав застосовуватися з 17 століття.

Отримані з допомогою цього методу відомості лягли основою систематики Карла Ліннея, дозволили Теодору Шванну і Маттіасу Шлейдену сформулювати клітинну теорію, лягли основою закону зародкової подібності, відкритого КарломБером.

Зараз дуже складно провести кордон між описовим та порівняльним методом, тому що вони комплексно використовуються для вирішення завдань біології.

Історичний методдозволяє осмислити отримані раніше факти та зіставити їх із раніше відомими результатами. Він став широко застосовуватися з другої половини 19 століття завдяки роботам Чарльза Дарвіна, який з його допомогою обґрунтував закономірності появи та розвитку організмів, становлення їх структур та функцій у часі та просторі (див. рис. 2). Застосування історичного методу дозволило перетворити біологію з описової науки на пояснювальну.

Мал. 2. Історія еволюції людини

Експериментальний метод- Застосування цього методу пов'язують з ім'ям Вільяма Гарвея, який його використовував у своїх експериментах з вивчення кровообігу (див. рис. 3). Але широко використовуватися цей метод саме з 20 століття, передусім, щодо фізіологічних процесів.

Мал. 3 Досвід У. Гарвея з вивчення кровообігу

Експериментальний методдозволяє вивчати те чи інше явище з допомогою досвіду. Великий внесок у затвердження експериментального методу в біології вніс Грегор Мендель, який, вивчаючи спадковість і мінливість організмів, вперше використав експеримент не тільки для отримання даних про явища, що вивчаються, але і для перевірки гіпотези.

У 20 столітті експериментальний метод став провідним у біології. Це стало можливим завдяки появі нових приладів, наприклад, електронного мікроскопа, використанню методів хімії, фізики та біології (див. рис. 4).

Мал. 4. Сучасні дослідиі лабораторне обладнання, які символізують експериментальний метод дослідження

У біологічних дослідженнях часто застосовують моделювання тих чи інших процесів, тобто залучають і математичні методи, і комп'ютерне моделювання.

Наукове дослідженняскладається з наступних етапів: на підставі отриманих фактів, спостережень або експериментів формулюється проблемадля її вирішення висуваються гіпотези. Гіпотезибезперервно вдосконалюються та піддаються подальшій розробці. Гіпотеза, яка узгоджується з безліччю різноманітних спостережень стає теорією. Гарна теоріярозвивається та поширюється на додаткові фактиу міру того, як вони стають відомими.

Гарна теорія може передбачати нові факти, і навіть знаходити нові зв'язки між явищами, і тоді теорія стає правилом чи законом.

Домашнє завдання

1. Що таке наука?

2. Дайте визначення поняттям: факт, гіпотеза, теорія.

3. Які основні етапи наукового дослідження ви знаєте?

4. У чому сутність порівняльно-описових методів дослідження?

5. Що таке експеримент?

6. Опишіть історичний спосіб вивчення біологічних об'єктів.

7. Як відбувалося становлення методів біології? Які з них найдавніші? Які можна назвати новими?

3. Біологічна освіта в МФТІ ().

Список літератури

1. Кам'янський А. А., Криксунов Є. А., Пасічник В. В. Загальна біологія 10-11 клас Дрофа, 2005.

2. Бєляєв Д. К. Біологія 10-11 клас. Загальна біологія. Базовий рівень. - 11-те вид., стереотип. – К.: Просвітництво, 2012. – 304 с.

3. Біологія 11 клас. Загальна біологія. Профільний рівень/ В. Б. Захаров, С. Г. Мамонтов, Н. І. Сонін та ін - 5-е вид., стереотип. – Дрофа, 2010. – 388 с.

4. Агафонова І. Б., Захарова Є. Т., Сивоглазов В. І. Біологія 10-11 клас. Загальна біологія. Базовий рівень. - 6-те вид., Дод. – Дрофа, 2010. – 384 с.