Как исследовать живую природу

Каждый человек замечает что-нибудь в природе: птица прилетела к окну, у семени появился корешок, листья пожелтели. Но как превратить отдельное впечатление в знание, которое можно объяснить и проверить? Для этого нужны методы исследования: продуманные способы получать и осмысливать сведения.

1. От впечатления к научному знанию

Знания о растениях и животных долго накапливались в повседневной жизни. Людям было необходимо узнавать полезные растения, замечать повадки животных, выбирать время для работ. Постепенно появлялись всё более точные способы проверки и объяснения наблюдений. Так развивалась наука — деятельность, направленная на получение новых обоснованных знаний о мире.

Научный метод — это способ исследования, включающий определённые действия и правила. Он помогает получать сведения так, чтобы было понятно, откуда они взялись и как их проверить. Для научного подхода важна объективность: исследователь старается описывать то, что обнаружено, а не подгонять результат под желание или ожидание.

Предположим, нам кажется, что птицы чаще прилетают к одному дереву, чем к другому. Одного впечатления недостаточно. Нужно решить, каких птиц и в какое время мы учитываем, наблюдать достаточно долго, записывать результаты и условия. Возможно, впечатление подтвердится. Возможно, окажется, что мы просто чаще смотрели в одну сторону. Оба результата полезны, если получены добросовестно.

В биологии используют практические методы: наблюдение, измерение и эксперимент. При наблюдении следят за объектом, специально не изменяя изучаемые условия. При измерении определяют числовое значение величины. В эксперименте целенаправленно изменяют условия, чтобы выяснить их влияние. Подробно планировать эксперименты мы будем в следующем уроке.

Полученные данные надо сравнить и объяснить. Такая работа относится к теоретическим методам: исследователь сравнивает результаты, ищет связи и предлагает объяснения. Например, измерения показывают, что один побег выше другого. Чтобы понять причину, нужно знать, в каких условиях росли растения.

Искусство и наука помогают узнавать природу по-разному. Картина осеннего леса передаёт его красоту и настроение. Научное исследование отвечает на проверяемый вопрос: например, когда у выбранного дерева начали желтеть листья. Красивый рассказ сам по себе не доказывает научное утверждение: для этого нужны наблюдения, записи и проверка результатов.

2. Наблюдение: смотреть с определённой целью

Наблюдение — изучение объектов и явлений с помощью органов чувств, при необходимости с использованием приборов. Бинокль приближает удалённую птицу, лупа помогает рассмотреть жилки листа, камера сохраняет изображение. Использование прибора само по себе не превращает наблюдение в эксперимент: важно, изменяем ли мы специально условия изучаемого явления.

Для начала разберём три слова. Объект — то, что мы изучаем: например, зарянка, дерево или проросток фасоли. Явление — наблюдаемое событие или изменение: птица перелетела, лист опал. Процесс — последовательность связанных изменений во времени, например развитие растения из семени. Эти понятия помогают точно поставить вопрос.

Как организовать наблюдение

1. Цель. Сформулируй, что хочешь выяснить. Вопрос «Сколько жёлтых листьев на выбранной ветке?» точнее, чем «Что происходит в природе?».
2. План. Выбери объект, место, время и способ записи. Если сравниваешь разные дни, желательно наблюдать одну и ту же ветку с одного места.
3. Точная запись. Отмечай дату, время, место, условия и результат. По возможности дополняй запись рисунком или фотографией.
4. Повторение. Возвращайся к объекту и сопоставляй записи. Неудавшееся наблюдение тоже отметь: это лучше, чем придумывать недостающий результат.

Пример записи

Вопрос: сколько раз зарянка перелетит между ветками за 5 минут?
Место: школьный сад, куст возле северной дорожки.
Время: 23 сентября, 10:00–10:05.
Условия: сухо, слабый ветер, наблюдатель находится в стороне.
Результат: отмечены три перелёта.

Это вымышленная учебная запись. По ней понятно, что делал наблюдатель. Фраза «птица была весёлая» описывает наше впечатление, а не непосредственно наблюдаемое действие.

Живые организмы не обязаны вести себя одинаково при каждом наблюдении. Во второй раз перелётов может быть больше или меньше. Нужно проверить длительность учёта и условия, а затем сравнить несколько записей. Научная проверяемость не означает, что каждое живое событие повторяется совершенно точно.

Наблюдения за сезонными изменениями растений и животных называют фенологическими. Можно следить за распусканием почек, цветением, окраской листьев и листопадом. Такие записи полезны, если ведутся последовательно. При работе в природе не тревожь животных, не подходи к гнёздам и не повреждай растения ради фотографии.

3. Что можно узнать у живого объекта и у образца

Чтобы изучать рост, поведение и реакции на условия среды, обычно необходим живой объект. По высушенному листу нельзя узнать, как именно он менял окраску день за днём. Для этого нужны последовательные наблюдения за растением или сделанные ранее записи.

Для исследования строения используют и фиксированные объекты. Такой материал готовят для хранения и изучения строения. Например, листья высушивают для гербария, а тонкие срезы сохраняют в постоянных микропрепаратах. После подготовки цвет или размеры могут измениться. Поэтому по сохранённому образцу изучают только те признаки, которые в нём сохранились.

У гербарного листа можно изучить общую форму, край и жилкование, сопоставить его с другими образцами. Живой лист тоже подходит для этого. Выбор зависит от вопроса, доступности материала и того, не изменились ли нужные признаки при подготовке образца. На странице урока показаны два разных учебных образца клёна, а не достоверная пара «один лист до и после высушивания».

Исследуемый материал иногда готовят в виде препарата, удобного для рассматривания, например под микроскопом. Временный препарат используют непродолжительное время. Постоянный специально изготавливают так, чтобы хранить и рассматривать многократно. Это различие относится к способу подготовки и хранения. Слово «временный» само по себе не означает, что объект обязательно живой.

4. Измерить — получить значение величины

Запись «у проростка появился корень» сообщает о качественном изменении: возник новый орган. Запись «длина корня составляет 24 мм» добавляет количественную характеристику. Измерение — определение числового значения величины с помощью выбранной единицы и подходящего средства измерения.

Измеряемую характеристику называют величиной или параметром: длина листа, масса семян, температура воды, объём жидкости, продолжительность наблюдения. Результат обычно записывают как число и единицу. Число «24» без пояснения может означать миллиметры, сантиметры, секунды или количество предметов. Такая запись не позволяет понять, что измерили.

Прибор выбирают не только по названию величины. Он должен подходить по диапазону и делениям шкалы. Короткая линейка удобна для листа, но неудобна для длины школьного коридора. Измеряя массу семян в ёмкости, нужно учесть массу самой ёмкости. Иначе результат будет относиться к семенам вместе с посудой.

Важна и техника работы. Лист располагают без лишнего изгиба, заранее определяют, между какими точками измерять длину и включать ли черешок. Если сравнивают несколько листьев, правило должно быть одинаковым. Для живого растения выбирают способ, который не повреждает его. С незнакомыми приборами и стеклом работают по указанию учителя.

5. Предел измерения и цена деления

На шкале прибора есть отметки — штрихи. Часть штрихов подписана числами. Перед работой нужно выяснить, в каких единицах подписана шкала и какие значения она позволяет отсчитать.

Предел измерения в задаче с линейкой — наибольшее значение, указанное на её шкале. Если шкала идёт от 0 до 10 см, верхний предел составляет 10 см, то есть 100 мм. У приборов с диапазоном значений, например термометров, различают нижний и верхний пределы. Нельзя надёжно измерять величину за пределами диапазона, для которого предназначен прибор.

Цена деления — значение величины, соответствующее одному промежутку между соседними штрихами. Чтобы её найти, выбирают две подписанные отметки, находят разность их значений и делят её на количество равных промежутков между ними.

Пример 1. Читаем деления

Между отметками 0 и 1 см — пять равных промежутков. Разность значений равна 1 см, или 10 мм. Поэтому цена деления:

10 мм ÷ 5 = 2 мм.

Не перепутай промежутки со штрихами. Пять промежутков ограничены шестью штрихами, если считать оба крайних.

Пример 2. Начало не у нуля

Лист расположен от отметки 2 см до отметки 6,4 см. Его длина:

6,4 см − 2 см = 4,4 см = 44 мм.

Число 6,4 см показывает положение конца на шкале. Оно не равно длине листа, потому что начало находится не у нуля. При сдвиге листа вдоль линейки его длина не меняется.

Чем меньше цена деления, тем более мелкие изменения можно различить по шкале. Однако мелкие деления не гарантируют правильный результат. Неверно выбранная начальная точка, взгляд под углом, неудобное расположение объекта и неисправность прибора тоже мешают измерению. Нельзя приписывать результату точность, которой выбранный способ не обеспечивает.

6. Удобные единицы и честное сравнение

Одну величину можно выразить разными единицами. Длину небольшого листа удобно записывать в миллиметрах или сантиметрах, высоту дерева — в метрах. Массу маленькой землеройки удобно указывать в граммах, человека — в килограммах, крупного кита — в тоннах. Выбор единицы меняет число в записи, но не сам размер или массу объекта.

Чтобы люди могли сравнивать измерения, они пользуются согласованными единицами. В Международной системе единиц СИ основная единица длины — метр, массы — килограмм, времени — секунда. Для небольших объектов удобны сантиметры, миллиметры и граммы. При сравнении результатов важно правильно переводить единицы.

1 м = 100 см = 1000 мм
1 см = 10 мм
1 кг = 1000 г
1 т = 1000 кг

Для сравнения приведи результаты к одной единице. В нашем учебном примере высота шиповника — 200 см, сосны — 54 м, люпина — 1000 мм. В метрах получаем 2 м, 54 м и 1 м. Сосна самая высокая. Если смотреть только на числа 200, 54 и 1000, получится неверный вывод.

Эти высоты относятся к данным конкретного учебного задания, а не ко всем растениям каждого вида. В природе размеры зависят от возраста, условий и особенностей организма. Так же и художественная композиция с землеройкой и китом на странице урока не показывает их в одном масштабе.

При измерении площади помни, что она выражается квадратными единицами: см², м², км². Например, прямоугольная обложка 20 см на 25 см имеет площадь 20 × 25 = 500 см². Длина и площадь — разные величины. Квадратные единицы нельзя заменять обычными сантиметрами или переводить по правилам длины.

7. Маленькое исследование от начала до результата

Попробуй измерить ширину листа комнатного растения, не повреждая его. Сначала договорись с учителем, какой лист выбрать и как его удобно расположить. Сформулируй цель: определить ширину листовой пластинки в самом широком месте. Реши, какие точки считаешь границами, и сохрани это правило во всех измерениях.

1. Выбери линейку, проверь единицы, предел и цену деления.
2. Аккуратно расположи лист и линейку; совмести начальную точку с нулевым штрихом либо учти смещение.
3. Запиши результат с единицей.
4. Повтори измерение того же параметра ещё два раза. Не подгоняй новые значения под первое.
5. Сравни результаты. Если одно значение резко отличается, проверь запись и способ измерения.

Дополнительное задание — найти среднее значение. Пусть три измерения ширины одного листа дали 58 мм, 60 мм и 59 мм. Сложим результаты и разделим на число измерений:

(58 + 60 + 59) мм ÷ 3 = 59 мм.

Повторения помогают уменьшить влияние случайных неточностей. Но среднее не исправляет постоянную ошибку. Если каждый раз начинать от края линейки вместо нулевого штриха, все результаты могут оказаться смещёнными. Если измерять разные листья, среднее будет характеризовать выбранную группу листьев, а не уточнять размер одного объекта.

Как найти справку и рассказать о работе

Иногда для объяснения наблюдений нужны дополнительные сведения. Предметный каталог группирует материалы по темам, а поисковая система помогает найти страницы по запросу. Уточняй ключевые слова от общего к частному: «растения», «деревья», «клён», «клён остролистный», «осенняя окраска листьев». Полезен запрос, который отражает именно твой вопрос. Проверь автора, назначение источника и подтверждение в других надёжных материалах.

Короткое сообщение об исследовании удобно построить из трёх частей. Во вступлении назови вопрос. В основной части объясни, что и как наблюдал или измерял, покажи записи и изображения. В заключении сформулируй вывод и отдельно укажи, чего пока не удалось выяснить. Говори своими словами, достаточно громко и понятно; не перегружай выступление всеми черновыми записями.

8. Ошибки, которые легко предупредить

• Выдавать догадку за факт. «На листе отверстия» — наблюдаемый признак. «Их оставил именно этот жук» — объяснение, которому нужны дополнительные доказательства.
• Записывать только число. «Длина — 44» непонятно; правильно: «длина — 44 мм».
• Считать штрихи вместо промежутков. Для цены деления нужны промежутки между выбранными отметками.
• Путать предел с ценой деления. Предел сообщает наибольшее измеряемое значение, а цена деления — размер одного шага шкалы.
• Читать только правый конец. Если начало не у нуля, вычти начальное показание из конечного.
• Сравнивать числа без единиц. 1000 мм меньше 200 см, хотя число 1000 больше числа 200.
• Менять правила в середине исследования. Нельзя один лист измерять с черешком, а другой без него, если цель — сравнить одинаковый параметр.
• Считать повторение доказательством любой догадки. Проверять нужно данные и способ их получения. Многократно пересказанная история не становится научным фактом только из-за повторения.

9. Вопросы для самопроверки

1. Что отличает научное наблюдение от случайного впечатления?
2. Как связаны объект, явление и процесс? Приведи свой пример.
3. Какие сведения нужно включить в дневник наблюдений?
4. Что можно изучать у гербарного образца, а для чего потребуется живое растение?
5. Чем наблюдение отличается от эксперимента?
6. На шкале между 20 и 30 мл пять промежутков. Чему равна цена деления?
7. Лист расположен от 2 до 7 см. Какова его длина?
8. Сравни 200 см и 1000 мм, переведя их в метры.
9. Найди среднее для 58 мм, 60 мм и 59 мм. Исправит ли оно ошибку, если все измерения выполнены неправильно?

Сверить ответы

1. Нужны цель, план, точная запись и возможность проверки. 2. Например: проросток — объект, появление листа — явление, развитие из семени — процесс. 3. Вопрос, объект, место, дата, время, условия, результат и способ записи. 4. Гербарий помогает изучать сохранённые признаки строения; рост и прижизненные изменения наблюдают у живого растения. 5. В эксперименте условия изменяют целенаправленно. 6. (30 − 20) ÷ 5 = 2 мл. 7. 7 − 2 = 5 см. 8. 2 м больше 1 м. 9. 59 мм; постоянную ошибку способа измерения среднее не устраняет.

Для учителя

Учебная задача. Связать описание живого объекта с получением проверяемых данных. К концу работы ученик различает наблюдение и предположение, составляет понятную запись, выбирает измерительный прибор, находит предел и цену деления, записывает результат с единицей и сравнивает однородные величины.

Организация. Материал объединяет наблюдение и измерение и может занять два занятия. Первое — наблюдение, объект и подготовленный образец; второе — измерения и работа со шкалами. Для одного занятия выберите основной маршрут: зарянка → дневник → приборы → шкала → короткая проверка. Сравнение образцов, среднее и самостоятельное наблюдение можно вынести в работу по группам или продолжение.

Начальный вопрос. Предложите сравнить две записи об одном событии: «птица беспокоится» и «птица трижды перелетела за пять минут». Не объявляйте впечатления бесполезными. Обсудите, какие сведения нужны для проверки и почему описание поведения не даёт прямого доступа к внутреннему состоянию животного.

Задания на странице. В сборке дневника ученик проверяет, все ли сведения записаны. При сравнении листьев выбирает образец, подходящий для своего вопроса. В задании с приборами определяет, что будет измерять. Подвижный отрезок на линейке показывает, почему нужно вычитать начальное показание из конечного. После экранного задания предложите измерить настоящий предмет: размер изображения на экране не соответствует его размеру в природе.

Трудности. Попросите учеников сначала отметить промежутки между штрихами и лишь затем вычислять цену деления. В примере 0–1 см их пять, а штрихов с обоими крайними — шесть. Перевод миллиметров в сантиметры можно выполнить устно до вычисления. Среднее значение — дополнительное задание повышенной трудности; оно не должно закрывать доступ к основному результату урока.

Точность и проверка. Не требуйте от природных наблюдений абсолютно одинаковых событий. Обсудите сопоставимость условий, полноту записей и причины различий. Для измерений одного объекта предложите повторно установить линейку, а не трижды переписать одно показание. Обратите внимание на отличие случайной неточности от постоянной ошибки метода.

Оценивание. Можно использовать четыре критерия: запись воспроизводит ход наблюдения; прибор соответствует величине; шкала прочитана с учётом единиц; вывод не шире полученных данных. Ошибка в итоговом тесте сопровождается объяснением; повторное прохождение предназначено для обучения, а не для скрытого накопления отметок.

Доступность и бережное отношение. Все основные действия доступны клавиатурой, для сравнения есть обычный ползунок. Движение можно отключить; при системном reduced motion оно выключено. Дайте возможность пройти материал в текстовом режиме или на распечатке. Наблюдение за веткой можно вести из окна; не требуется срывать листья или ловить животных.

3D. Подготовлены три места: птица в среде, измерение проростка и шкалы приборов. Пока отображаются честные сообщения об отсутствии сцен. Позднее адреса подключаются в отдельном файле scenes.js; сама модель загружается после нажатия.