Исследовательская работа по биологии как основа совершенствования естественно-научной грамотности обучающихся (на примере школьной научно-исследовательской экспедиции «Томпо»)

Актуальность темы исследования

В настоящее время в Федеральном государственном образовательном стандарте в соответствии с Приказом Министерства просвещения Российской Федерации естественно-научная грамотность выделена в качестве одной из ключевых задач образования. В соответствии с ФГОС биологическое образование, помимо усвоения биологических знаний и умений, должно обеспечить формирование умений применять полученные знания в реальных жизненных ситуациях.

Согласно Концепции биологического образования, направленной на реализацию национальных целей РФ на период до 2030 года и на перспективу до 2036 года, перед школьным биологическим образованием поставлены цели совершенствования системы биологического образования, подготовки квалифицированных кадров, просвещения и повышения биологической грамотности общества, повышения привлекательности биологии для молодёжи в вопросах выбора профессиональной карьеры.

Одной из основ совершенствования естественно-научной грамотности обучающихся является методика организации исследовательской работы по биологии в учебно-воспитательном процессе. Однако в настоящее время недостаточно разработана методика организации исследовательской работы, направленной на совершенствование естественно-научной грамотности обучающихся, в частности методика их использования во время школьной научно-исследовательской экспедиции.

Актуальность исследования обусловлена противоречием между возрастающей ролью исследовательской работы по биологии, зафиксированной в нормативных документах, с одной стороны, и отсутствием модели совершенствования естественно-научной грамотности обучающихся и методики организации исследовательской работы в условиях школьной научно-исследовательской экспедиции – с другой.

Состояние изученности проблемы

Теоретические основы естественно-научной грамотности разрабатывались в трудах Г. С. Ковалёвой, А. Ю. Пентина, Т. В. Ивановой. Вопросы методики обучения биологии освещены в работах Е. Н. Арбузовой, В. В. Смирнова. Проблемы формирования естественно-научной грамотности через исследовательскую деятельность рассматривались С. П. Злобиной, А. А. Шестаковой, О. В. Слепцовой, Е. Ю. Смирновой. Вопросы организации школьных научно-исследовательских экспедиций представлены в работах Н. Г. Соломонова, С. Н. Седалищевой, О. О. Шаляпиной. Однако проблема целенаправленного совершенствования естественно-научной грамотности обучающихся посредством организации исследовательской работы в условиях школьной научно-исследовательской экспедиции остаётся недостаточно изученной.

Проблема исследования заключается в нахождении путей и условий организации исследовательской работы как основы совершенствования естественно-научной грамотности обучающихся на занятиях школьной научно-исследовательской экспедиции.

Цель исследования – выявление оптимальных методических путей и условий организации исследовательской работы обучающихся как основы совершенствования естественно-научной грамотности в научно-исследовательской экспедиции «Томпо».

Для достижения поставленной цели были обозначены следующие задачи исследования:

1. Определить и проанализировать психолого-педагогическую, научно-методическую литературу по проблеме совершенствования естественно-научной грамотности обучающихся.
2. Обосновать и разработать модель совершенствования естественно-научной грамотности обучающихся при организации исследовательской работы.
3. Выявить методические пути и условия организации исследовательской работы как способа совершенствования естественно-научной грамотности обучающихся во время экспедиции.
4. Экспериментально проверить эффективность разработанной методики организации исследовательской работы, направленной на совершенствование естественно-научной грамотности обучающихся на примере школьной научно-исследовательской экспедиции «Томпо».

Объект исследования – учебно-воспитательный процесс обучающихся при организации исследовательской работы по биологии в рамках школьной экспедиции.

Предмет исследования – разработка методических путей и условий организации исследовательской работы для совершенствования естественно-научной грамотности обучающихся в условиях школьной научно-исследовательской экспедиции.

Гипотеза исследования: совершенствование естественно-научной грамотности обучающихся в условиях школьной научно-исследовательской экспедиции возможно, если:

• обосновать и разработать модель совершенствования естественно-научной грамотности обучающихся в условиях школьной научно-исследовательской экспедиции;
• разработать оптимальные методические пути и условия организации исследовательской работы, обучающихся по биологии на примере научно-исследовательской экспедиции «Томпо» с акцентом на исследовательскую работу, то это даст возможность совершенствовать естественно-научную грамотность.

Теоретической и методологической основой исследования являются:

• исследования в области естественно-научной грамотности (Г. С. Ковалёва, А. Ю. Пентин, Т. В. Иванова);
• методика обучения биологии (Е. Н. Арбузова, В. В. Смирнов);
• системно-деятельностный, компетентностный, средовой и исследовательский подходы в образовании;
• принципы научности, практико-ориентированности, поэтапности, рефлексивности, дифференциации.

В ходе исследования применялись следующие методы исследования:

• теоретические: анализ психолого-педагогической, учебной и методической литературы по проблеме исследования;
• эмпирические: тестирование, сравнительный анализ, исследовательские работы, обработка результатов исследования и обобщение данных.

Научная новизна исследования заключается в том, что разработана модель методической системы совершенствования естественно-научной грамотности обучающихся через организацию исследовательской работы по биологии на примере школьной научно-исследовательской экспедиции. Она заключается в переносе исследовательской работы из учебного класса в полевой, экспедиционный формат, что позволяет обучающимся работать с реальными биологическими объектами и экосистемами, а не с учебными моделями.

Положения, выносимые на защиту:

1. Разработанная теоретическая модель описывает механизм совершенствования естественно-научной грамотности обучающихся через исследовательскую работу в условиях экспедиционной деятельности.
2. Применена конкретная методика организации исследовательской работы обучающихся по биологии в условиях школьной научно-исследовательской экспедиции «Томпо», способствующая совершенствованию естественно-научной грамотности.

Теоретическая и практическая значимость исследования

Теоретическая значимость заключается в выявлении методических путей и условий совершенствования естественно-научной грамотности обучающихся при организации исследовательской работы по биологии. Практическая значимость состоит в том, что разработанная модель совершенствования естественно-научной грамотности обучающихся может быть рекомендована для практики обучения биологии в школе.

Основные этапы исследования

Исследование проводилось в три этапа:

• 1 этап. Подготовительный – анализ литературных источников для совершенствования естественно-научной грамотности обучающихся.
• 2 этап. Основной – разработка и апробация модели естественно-научной грамотности обучающихся посредством организации исследовательской работы по биологии.
• 3 этап. Заключительный – получены конкретные результаты, их анализ, статистическая обработка.

Экспериментальная база исследования: МБОУ «Крест-Хальджайская СОШ им. Героя Советского Союза Ф. М. Охлопкова» МР «Томпонский район» Республики Саха (Якутия).

Теоретический анализ научно-методической литературы позволил уточнить содержание ключевых понятий исследования. Естественно-научная грамотность – это способность использовать естественно-научные знания для постановки вопросов, освоения новых знаний, объяснения явлений и формулирования выводов, основанных на научных доказательствах. Понятие «естественно-научная грамотность» пришло из международного сравнительного исследования PISA.

Установлено, что естественно-научная грамотность включает три ключевые компетенции:

• научное объяснение явлений – умение применять соответствующие естественно-научные знания для описания и объяснения природных процессов, создавать объяснительные модели, прогнозировать протекание явлений;
• понимание особенностей естественно-научного исследования – умение распознавать и формулировать цель исследования, выдвигать гипотезы, предлагать и оценивать способы научного исследования, описывать способы обеспечения надёжности данных;
• интерпретация данных и использование научных доказательств – умение анализировать и интерпретировать данные, преобразовывать формы их представления, распознавать доказательства в научных текстах, оценивать аргументы из различных источников.

Данные компетенции коррелируют с требованиями ФГОС ООО к предметным и метапредметным результатам образования. Так, компетенция научного объяснения явлений соотносится с умением создавать, применять и преобразовывать знаки и символы, модели и схемы для решения учебных задач; компетенция понимания особенностей исследования – с приобретением опыта применения научных методов познания; компетенция интерпретации данных – с умением определять понятия, устанавливать причинно-следственные связи, строить логическое рассуждение и делать выводы.

Учебный предмет «Биология» играет ключевую роль в совершенствовании естественно-научной грамотности, предоставляя обучающимся возможность не только усвоить теоретические знания, но и развивать практические навыки, необходимые для анализа и интерпретации природных явлений. Биология как наука о жизни предоставляет уникальную возможность для анализа актуальных вопросов – изменение климата, биоразнообразие, этические аспекты научных исследований.

Целевой компонент определяет стратегическую цель – совершенствование естественно-научной грамотности обучающихся посредством организации исследовательской работы по биологии в условиях научно-исследовательской экспедиции «Томпо» – и три задачи, соответствующие трём компетенциям ЕНГ.

Содержательный компонент раскрывает каждую из трёх компетенций через конкретные умения:

• Научное объяснение явлений: применять знания для объяснения явления, распознавать и создавать объяснительные модели, прогнозировать протекание процессов, объяснять принцип работы полевого оборудования.
• Понимание особенностей исследования: распознавать и формулировать цель, предлагать и оценивать способы исследования, выдвигать гипотезы, оценивать надёжность данных.
• Интерпретация данных: анализировать и интерпретировать данные, преобразовывать формы представления, распознавать доказательства, оценивать аргументы из различных источников.

Деятельностный компонент представляет деятельность учителя (организация учебного процесса, создание проблемных ситуаций, разработка программы экспедиции, консультирование, диагностика и аналитика, корректировка) и деятельность обучающегося (получение теоретических знаний, освоение методик полевых исследований, выработка практических умений, самоанализ и рефлексия, выработка универсальных учебных действий).

Процессуальный компонент включает четыре этапа:

• 1 этап – подготовительно-диагностический (входная диагностика, теоретическая подготовка, формирование групп);
• 2 этап – экспериментально-практический (полевые исследования, сбор данных, ведение дневников, работа над проектами);
• 3 этап – аналитико-обобщающий (обработка данных, подготовка и защита проектов);
• 4 этап – оценочно-корректирующий (итоговая диагностика, сравнительный анализ, рефлексия, участие в НПК).

Методы включают наблюдение, полевой эксперимент, описательный и сравнительный методы, моделирование, проблемные задания, анализ данных. Средства: полевое оборудование, определители, дневники наблюдений, GPS-навигаторы, компьютерная техника. Формы: экспедиция, экскурсия, полевая практика, групповая и индивидуальная исследовательская работа, конференция по итогам экспедиции, участие в НПК.

Оценочно-результативный компонент включает критерии оценивания (умение научно объяснять явления, понимать особенности исследования, интерпретировать данные) и три уровня достижения:

• Высокий: самостоятельная исследовательская работа, оригинальная идея, высокий уровень анализа; способен использовать весь спектр знаний для объяснения данных.
• Средний: структурированная работа под руководством педагога; способен применять знания в знакомых ситуациях.
• Низкий: выполнение отдельных операций по инструкции; объяснения в ограниченном числе ситуаций.

Системообразующим элементом модели является механизм обратной связи: результаты диагностики на каждом этапе определяют содержание и методы на последующем этапе; данные 4-го этапа используются для совершенствования программы экспедиции для следующего цикла.

Реализация модели обеспечивается четырьмя группами педагогических условий: организационно-педагогические (системная организация экспедиции, наличие научных руководителей, взаимодействие с научными учреждениями); содержательно-методические (программа экспедиции с учётом компетенций ЕНГ, комплекс полевых методик, дифференцированный подход); мотивационно-психологические (благоприятная образовательная среда, учёт интересов обучающихся, поддержка инициативы, участие в НПК); материально-технические (полевое оборудование, определители, средства фиксации и обработки данных).

Для практической реализации модели разработана программа школьной научно-исследовательской экспедиции «Томпо» на базе МБОУ «Крест-Хальджайская СОШ им. Героя Советского Союза Ф. М. Охлопкова». Экспедиция проводится продолжительностью 10 дней с участием обучающихся 5–10 классов (20 человек).

Программа включает четыре направления полевых практик, каждое из которых обеспечивает комплексное формирование всех трёх компетенций ЕНГ:

• Ботаника (морфология растений): сбор растений, морфологическое описание, работа с определителями, оформление гербария. Формируется умение объяснять адаптации растений (компетенция 1), владение методикой сбора гербария (компетенция 2), описание и классификация (компетенция 3).
• Орнитология (позвоночные животные): маршрутный учёт птиц, определение видов по внешнему виду и голосу, заполнение бланков учёта. Формируется умение объяснять приуроченность к биотопам (компетенция 1), планирование и проведение учёта (компетенция 2), интерпретация данных наблюдений (компетенция 3).
• Энтомология (беспозвоночные животные): сбор водных и сухопутных насекомых, установка ловушек Барбера, определение образцов. Формируется знание систематики (компетенция 1), владение методами сбора (компетенция 2), составление списков и анализ видового состава (компетенция 3).
• Гидроэкология: экологическое исследование озера «Уөттээх», определение физико-химических параметров воды, инвентаризация прибрежно-водной растительности и фауны. Формируется умение объяснять экологические взаимосвязи (компетенция 1), планирование мониторинга (компетенция 2), анализ параметров воды (компетенция 3).

Для практической реализации модели разработана программа школьной научно-исследовательской экспедиции «Томпо» на базе МБОУ «Крест-Хальджайская СОШ им. Героя Советского Союза Ф. М. Охлопкова». Экспедиция проводится продолжительностью 10 дней с участием обучающихся 5–10 классов (20 человек).

Программа включает четыре направления полевых практик, каждое из которых обеспечивает комплексное формирование всех трёх компетенций ЕНГ:

• Ботаника (морфология растений): сбор растений, морфологическое описание, работа с определителями, оформление гербария. Формируется умение объяснять адаптации растений (компетенция 1), владение методикой сбора гербария (компетенция 2), описание и классификация (компетенция 3).
• Орнитология (позвоночные животные): маршрутный учёт птиц, определение видов по внешнему виду и голосу, заполнение бланков учёта. Формируется умение объяснять приуроченность к биотопам (компетенция 1), планирование и проведение учёта (компетенция 2), интерпретация данных наблюдений (компетенция 3).
• Энтомология (беспозвоночные животные): сбор водных и сухопутных насекомых, установка ловушек Барбера, определение образцов. Формируется знание систематики (компетенция 1), владение методами сбора (компетенция 2), составление списков и анализ видового состава (компетенция 3).
• Гидроэкология: экологическое исследование озера «Уөттээх», определение физико-химических параметров воды, инвентаризация прибрежно-водной растительности и фауны. Формируется умение объяснять экологические взаимосвязи (компетенция 1), планирование мониторинга (компетенция 2), анализ параметров воды (компетенция 3).

Ключевыми методическими путями являются:

1. Организация четырёхэтапного образовательного процесса (подготовительно-диагностический, экспериментально-практический, аналитико-обобщающий, оценочно-корректирующий).
2. Комплексное формирование компетенций ЕНГ через каждое направление полевой практики.
3. Последовательное усложнение деятельности от наблюдений по инструкции к самостоятельному проектированию исследований.
4. Использование естественной природной среды как образовательного ресурса.

Этапы реализации в учебной деятельности обучающихся включают: пробуждение интереса и выбор темы; формулирование проблемы и гипотезы; планирование и дизайн исследования; проведение исследования; анализ данных; формулирование выводов и ограничений; презентацию и защиту; рефлексию и перенесение компетенций:

1. Анализ психолого-педагогической и научно-методической литературы показал, что естественно-научная грамотность является многокомпонентным образовательным результатом, включающим три ключевые компетенции: научное объяснение явлений, понимание особенностей естественно-научного исследования, интерпретация данных и использование научных доказательств. Установлено, что исследовательская работа по биологии обладает значительным потенциалом для совершенствования всех трёх компетенций ЕНГ, однако методика организации исследовательской работы в условиях школьной научно-исследовательской экспедиции разработана недостаточно, что подтверждает актуальность исследования.
2. Обоснована и разработана модель методической системы совершенствования естественно-научной грамотности обучающихся при организации исследовательской работы. Модель включает шесть взаимосвязанных компонентов (методологический блок, целевой, содержательный, деятельностный, процессуальный и оценочно-результативный компоненты), механизм обратной связи и четыре группы педагогических условий реализации. Для практической реализации разработана программа школьной научно-исследовательской экспедиции «Томпо», включающая четыре направления полевых практик (ботаника, орнитология, энтомология, гидроэкология), каждое из которых обеспечивает комплексное формирование всех трёх компетенций ЕНГ.
3. Выявлены методические пути и условия организации исследовательской работы как способа совершенствования естественно-научной грамотности: организация четырёхэтапного образовательного процесса; комплексное формирование компетенций через каждое направление полевой практики; последовательное усложнение деятельности; использование естественной природной среды как образовательного ресурса. Необходимыми педагогическими условиями являются: организационно-педагогические (системная организация экспедиции, привлечение научных руководителей), содержательно-методические (программа с учётом компетенций ЕНГ, дифференцированный подход), мотивационно-психологические (учёт интересов, поддержка инициативы, участие в НПК) и материально-технические (обеспечение полевым оборудованием и средствами обработки данных).
4. Экспериментально подтверждена эффективность разработанной модели и методики. Педагогический эксперимент зафиксировал положительную динамику по всем трём компетенциям ЕНГ: компетенция научного объяснения явлений выросла с 52% до 72%, компетенция понимания особенностей исследования – с 48% до 68%, компетенция интерпретации данных – с 45% до 65%. Все три компетенции преодолели порог функциональной грамотности 60%. Равномерный прирост в 20 процентных пунктов по каждой компетенции подтверждает системный характер воздействия экспедиционной деятельности, организованной в соответствии с разработанной моделью.
5. Гипотеза исследования подтверждена: совершенствование естественно-научной грамотности обучающихся в условиях школьной научно-исследовательской экспедиции возможно при условии обоснования и разработки модели совершенствования естественно-научной грамотности и выявления оптимальных методических путей и условий организации исследовательской работы обучающихся по биологии.
6. Перспективным направлением дальнейших исследований является разработка методических приёмов, направленных на усиление формирования компетенции интерпретации данных и критической оценки научных источников, а также изучение долгосрочных эффектов экспедиционной деятельности на развитие естественно-научной грамотности обучающихся.

Таким образом, поставленные в исследовании задачи решены, цель достигнута, гипотеза подтверждена. Разработанная модель методической системы совершенствования естественно-научной грамотности обучающихся посредством организации исследовательской работы по биологии в условиях научно-исследовательской экспедиции «Томпо» может быть рекомендована к использованию в практике работы учителей биологии при организации школьных научно-исследовательских экспедиций и полевых практик.