Работа в контенте "Глобальное мышление" на уроках биологии. Урок "Биосфера – открытая саморегулирующаяся система"

Образование является стратегическим ресурсом общества и одним из путей познания мира. В образовании нужна не столько сумма знаний, сколько сам путь познания. Глобальное мышление – основа понимания современного динамично развивающегося мира, его целостности и соподчинённости. Это особенно важно, так как научно-технический прогресс с одной стороны обуславливает развитие человечества, но с другой приводит к появлению и усилению глобальных экологических проблем:

• демографический взрыв и продовольственный кризис;
• истощение ресурсов полезных ископаемых;
• энергетический кризис;
• глобальное потепление;
• разрушение природной среды;
• антропосоциологический кризис, связанный с проблемой утраты духовности, потерей смысла жизни.

Очевидна огромная роль школы в том, чтобы научить юное существо адаптироваться в быстро меняющемся и порой агрессивном мире, вооружить его защитными механизмами. Этой цели служит технология глобального мышления.

Что же такое ГЛОБАЛЬНОЕ МЫШЛЕНИЕ? Это система которая ориентирует на воспитание нового целостного виденья мира и места человека в нём. Главное в глобальном образовании – воспитание чувства причастности у учащихся к жизни человеческого общества, установление гармоничных отношений человека с природой, людьми, миром в целом и с самим собой. Технология позволяет решить целый ряд вопросов.

Это не интегрированные уроки, когда одновременно работают учителя, ведущие разные предметы, это не использование в привычном смысле межпредметных связей. Это технология дающая надпредметные знания.

Сегодня большинство учащихся воспринимают информацию по каждому предмету абстрагировано от других, не прослеживается умение делать горизонтальный и вертикальный перенос, обобщать знания, полученные на всех предметах школьного курса и, как следствие, не формируется целостная картина мира. В этом нельзя винить учителя, так как особенности психологии подростков скорее связаны с преобладанием аналитических способностей. Кроме того большинство современных программ по учебным предметам не скоординированы между собой, что так же создаёт определённые трудности. Каковы же основные идеи глобального образования?

ЦЕННОСТНО-СМЫСЛОВЫЕ ориентиры глобального образования:

• Мир – это целостная интегрированная система
• Человек - составляющая часть картины мира, он несёт
• Ответственность за свою судьбу, за жизнь окружающих и за будущее мира
• Открытость человека по отношению к новому
• Гибкость и критичность мышления
• Умение мыслить глобально - действовать локально
• Установка на гуманистические ценности при выборе решений и способов действий

В соответствии с ведущими идеями глобального мышления смещаются акценты в образовательном процессе, ставятся иные цели.

ЦЕЛИ:

1.Формирование целостного восприятия мира

2.Формирование активного интереса к окружающему миру.

3.Развитие гибкости мышления, поиск альтернативных путей, прогнозирование последствий

4.Развитие умений использовать в качестве аргументов знания, полученные в рамках других дисциплин.

В течение ряда лет я работаю над внедрением концепции ГЛОБАЛЬНОЕ МЫШЛЕНИЕ в учебный процесс. Мною разработана система уроков, которые я традиционно провожу в каждой параллели и каждый раз они проходят по - разному, но главное их достоинство в том, что они позволяют учащимся объединить усилия в выявлении проблемы, в поисках путей её решения, формируют

• умение слышать другого,
• отстаивать свою точку зрения,
• свободно высказывать свои мысли,
• приходить к единому для всей группы решению.

Знакомя учителей биологии города Мурманска с особенностями работы в контенте глобальное мышление, я написала стихотворение, которое предлагаю Вашему вниманию:

Осколок, что лежит в руке моей,
Был частью целого так много дней…
Что это было? Чашка или ваза?
Сказать теперь уж невозможно сразу…
Чтобы решить задачу, надо
Анализ провести хотя бы…
Найти связующие звенья,
Мотив имея и терпенье!
Не просто сделать это взрослому,
Не говоря уж о подростках…
Как учим мы? Ты физике, я биологии,
А в результате получаем – то немного,
И школьник учится натужно, через силу,
Обрывки знаний не собрать в картину мира?
Избавь его от недоразумения
И научи глобальному мышлению!

Тема урока. “Биосфера – открытая саморегулирующаяся система” или “Какой прогноз у нас сегодня?”.
Реализация концепции “Глобальное мышление”.
Урок коллективной мыследеятельности.

Эпиграф

“В тот год холодная погода
Стояла долго на дворе.
Зимы ждала, ждала природа,
Снег выпал только в январе…”

А.С.Пушкин.

Цели урока.

1. Показать, что биосфера является системой, способной к саморегуляции, высшим уровнем организации жизни на Земле.
2. Развивать коммуникативные навыки: умения слушать, аргументировать; работать с информацией; осуществлять межпредметные связи
3. Формирование нравственно развитого человека, бережно относящегося к окружающей природе, готового к самоотречению ради её сохранения.

I. Вступление.

Аномальные погодные условия ноября – декабря 2006 года привели к обострению полемики о грядущей экологической катастрофе биосферного уровня, то есть угрожающего существованию всего живого на планете. Учащиеся 10 – 11 классов в достаточной степени

вооружены знаниями в области физики, химии, географии, биологии, чтобы выработать собственное отношение к вопросам изменений, происходящих в биосфере.

II. Актуализация.

Вы видите на доске слова:

“ГЛОБАЛЬНОЕ ПОТЕПЛЕНИЕ или ЛЕДЯНОЙ АПОКАЛИПСИС?” Именно обсуждению этой проблемы была посвящена одна из программ Владимира Познера “Времена”. Просмотрите видеофрагмент этой передачи.

В чём суть вопроса? О чём спорили всемирно известные учёные?

- Причиной глобального потепления является деятельность человека или глобальное потепление – норма, результат высокой солнечной активности.

-Грозит ли человечеству гибелью глобальное потепление? Если да, что делать?

Чтобы ответить на эти вопросы, попробуем проанализировать предложенную информацию, учитывая, что биосфера – это система, имеющая самый высокий уровень организации жизни на Земле, обладающая всеми признаками системы:

- открытость - состоит из элементов
- стабильность - иерархичность;
- целеустремлённость - интегративность

III. Организация работы в группах.

Во время работы в группах просьба использовать рабочие листы и следовать указаниям на них. Так как все живые организмы нуждаются для жизнеобеспечения в энергии, 1,2,3 группы будут исследовать процессы, связанные с потоками энергии в биосфере, согласно первому закону термодинамики: “Энергия не появляется ниоткуда и не исчезает бесследно, она лишь переходит из одного вида в другой”.

I группа. Изучает поступление энергии от Солнца и её превращение в энергию химических связей органических соединений, то есть работает на определённом уровне организации жизни. Здесь особенно важны знания в области физики и химии.

II группа. Работает по вопросам энергообеспечения организмов, определяя уровень прохождения процессов энергообмена.

III группа Отслеживает перемещение энергии по цепям питания, делает выводы о потоках энергии на данном уровне организации живого.

IV группа. Рассматривает воздействия антропогенного хаpaктера на планету, определяет степень влияния человека на биосферу.

V группа. Анализирует изменения климата на планете в ходе эволюции, пытается вскрыть их причины и отследить процессы саморегуляции биосферы.

IV. Афиширование.

Выступление учащихся, работавших в группах.

Учитель акцентирует внимание на прохождении процессов на определённых уровнях организации живого.

V. Выводы.

• На атомно – молекулярном уровне идёт процесс перехода энергии солнечных лучей в энергию возбуждённых электронов.
• На органоидном уровне идёт разделение зарядов и возникновение разности потенциалов. Кинетическая энергия движущихся по каналу АТФ- синтетазы протонов превращается в энергию макроэргических связей АТФ, а затем эта энергия используется для процессов фиксации углекислого газа.
• Процесс фотосинтеза может проходить только в клетке. Следовательно, речь идёт о клеточном уровне организации.
• Если организм многоклеточный, взаимодействие вегетативных органов растения, обеспечивающих процессы жизнедеятельности растения, осуществляется на организменном уровне организации живого.
• Растения являются продуцентами в экосистемах. По цепям питания осуществляется переход энергии в биогеоценозах – это биоценотический уровень.

Таким образом прослеживается взаимосвязь физических, химических и биологических процессов, проходящих в биосфере. В этом проявляется интегративность. Постоянный поток энергии и вещества говорит об открытости системы. Переход энергии осуществляются на разных уровнях организации, что подтверждает структурированность (состоит из элементов) и иерархичность (соподчинённость) компонентов биосферы.

Действие антропогенного фактора несомненно. Величина его воздействия в настоящее время соизмерима с процессами, идущими в неживой природе. Если человечество, нарушая стабильность биосферы, не хочет быть уничтоженным ею, оно предпримет все меры для сохранения окружающей среды.

Работа аналитической группы показала, что на протяжении эволюции неоднократно возникали периоды, сопровождавшиеся глобальным потеплением, это закономерно. Всегда проявлялась целеустремлённость биосферы в сохранении стабильности параметров за счёт целого ряда механизмов стабилизации. Демонстрация видеофрагмента “Конвейер Гольфстрима”.

Таким образом, мы можем предположить, что глобальное потепление закономерно. С другой стороны, определённый вклад в дестабилизацию ситуации на Земле вносит антропогенный фактор. Однако биосфера – это огромная система и велики её компенсаторные возможности. Не надо только бездумно вмешиваться, чтобы не нарушить естественный ход событий, не нарушать процессы саморегуляции биосферы.

Информация.

Потоки энергии в биосфере.

Солнце – источник энергии для жизни на Земле. Более 5 миллиардов лет энергия солнца рассеивается в виде тепла, излучаясь в космическое прострaнcтво. На Земле возникли системы, способные захватывать часть свободной энергии и использовать энергию для поддержания своей организации, а также для её распространения. Следовательно, живая материя является частью физического мира.

Живые организмы – открытые системы, способные организовывать поступление энергии и вещества извне. Энергия необходима для осуществления жизненно важных процессов, протекание которых строго упорядочено во времени и прострaнcтве. Так, жизнедеятельность клетки человека требует протекания 10000 реакций одновременно и согласовано, на что, безусловно, расходуется энергия.

По первому закону термодинамики или закону сохранения энергии, энергия не возникает и не исчезает бесследно, она переходит из одной формы в другую. Процессы в системах идут в одном направлении: теплота переходит от тёплого тела к холодному, ионы перемещаются только по градиенту концентрации и так далее. Естественные процессы неизбежно приводят к состоянию энтропии, т.е. равновесному состоянию. Закономерности изменения энтропии, описываются вторым законом термодинамики.

СПОСОБНОСТЬ ПРОТИВВОСТОЯТЬ НАРАСТАНИЮ ЭНТРОПИИ ЯВЛЯЕТСЯ ОБЯЗАТЕЛЬНЫМ СВОЙСТВОМ ЖИВЫХ СИСТЕМ.

По способу получения энергии организмы подразделяются на:

	фототрофы	гетеротрофы
источник энергии	энергия солнечных лучей	энергия органических веществ
процессы в организме	превращение Е солнечных лучей в Е хим. связей АТФ,	получают в ходе расщепления органических веществ, синтез АТФ
Использование энергии	синтез органических веществ для процессов жизнедеятельности	синтез органических веществ для процессов жизнедеятельности

В процессе жизнедеятельности живые организмы преобразуют энергию макроэргических связей АТФ:

1) химическая энергия (процессы биосинтеза) ;

2) осмотическая работа (градиент концентрации) ;

3) электрическая работа (поддержание потенциалов на мембранах) ;

4) механическая работа (мышцы, реснички, движение жидкостей и т.д.) ;

5) регуляторная работа (направлена на уменьшение энтропии).

ВНУТРИКЛЕТОЧНЫЙ ПОТОК ЭНЕРГИИ.

Поток энергии у представителей различных групп организмов обеспечивается механизмами энергообеспечения, дыханием, брожением, Фотосинтезом и хемосинтезом . Центральная роль в биоэнергетике клеток животных принадлежит дыхательному обмену. Он включает реакции расщепления низкокалорийного органического “топлива” в виде глюкозы, жирных кислот, аминокислот, а также использование выделяемой энергии для образования высококалорийного клеточного “топлива” в виде АТФ. Энергия АТФ непосредственно, или будучи перенесённой на другие макроэргические соединения, в разнообразных процессах преобразуется в тот или иной вид работы.

Среди органелл клетки особое место принадлежит митохондриям, выполняющим функции окислительного фосфорилирования, также матриксу цитоплазмы, в котором протекает процесс бескислородного расщепления глюкозы – гликолиз. В связи с неполным окислением в отсутствие кислорода в процессе гликолиза для нужд клетки извлекается не более 10% энергии. ПВК – продукт неполного окисления глюкозы, поступает в митохондрии, где в условиях полного окисления, сопряжённого с фосфорилированием АДФ до АТФ, отдают для нужд клетки оставшуюся в их химических связях энергию. Механизм энергообеспечения клетки отличается эффективностью: КПД хлоропласта – 25%, митохондрии – 45 – 60%, существенно превосходя аналогичный показатель паровой машины – 8% или двигателя внутреннего сгорания – 17%.

Реакции дыхательного обмена не только поставляют в клетку энергию, но и снабжают клетку строительными блоками для синтеза разнообразных молекул. Особая роль в этом принадлежит циклу Кребса. Через этот цикл проходит путь углеродных атомов большинства соединений, служащих продуктами синтеза химических компонентов клетки. В цикле Кребся происходит выбор пути превращения того или иного соединения, а также переключение обмена клетки с одного пути на другой, например, с углеводного на жировой. Дыхательный обмен составляет ведущее звено потока веществ, объединяющего метаболические пути расщепления и образования углеводов, белков, жиров, нуклеиновых кислот. В цикле Кребса на внутренней мембране митохондрий, где имеются ферментные системы аэробного окисления, ПВК подвергается окислительному декарбоксилированию и одновременно присоединяется кофермент А, обладающий макроэргической связью. В результате присоединения к ЩУК образуется лимонная кислота. На всех этапах цикла Кребса при переходе от одной карбоновой кислоты к другой протекают реакции декарбоксилирования, дегидрирования и внутримолекулярных перестроек, будут отщепляться протоны водорода, которые тут же захватываются акцепторами НАД, НАДФ, ФАД и идёт их восстановление. В дыхательной цепи идёт перенос электронов, акцептором которых является кислород. Идёт синтез АТФ за счёт возникшей на мембране разницы потенциалов.

ФОТОСИНТЕЗ.

Основным и пpaктически неиссякаемым источником энергии на поверхности Земли является энергия солнечного излучения. Полный поток солнечного излучения близок к 1400 ВТ\кв.м. Значительная часть этой энергии приходится на фотосинтетически активную радиацию, эффективно поглощаемую пигментами, участвующими в фотосинтезе растений и бактерий.

Фотосинтез растений заключается в преобразовании и запасании солнечной энергии. В результате этого процесса из простых веществ – углекислого газа и воды – синтезируются углеводы и выделяется молекулярный кислород. Несмотря на кажущуюся простоту фотосинтеза, на Земле нет другого процесса, который мог бы так же сильно преобразовать нашу планету.

На каждый ассимилированный в процессе фотосинтеза моль углекислоты запасается 114 ккал энергии. Любое вещество, поглощая квант света переходит в возбуждённое состояние, что можно рассматривать как преобразование энергии электромагнитного излучения и её запасание. Энергия возбуждения электрона, поглотившего свет, очень быстро растрачивается в тепло или же вновь излучается в прострaнcтво. Следовательно, энергия света может запасаться на незначительные доли секунды. В результате же фотосинтеза энергия поглощённого кванта света запасается надолго: от минут и часов до сотен и даже миллионов лет ( нефть, каменный уголь, природный газ, торф).

Масштабы фотосинтетического преобразования и запасания солнечной энергии огромны: каждый год на Земле образуется около 200 миллиардов тонн биомассы, что эквивалентно 7,2 х 10²⁰ кал. При этом надо отметить, что фотосинтез – единственный биологический процесс, протекающий с запасанием (увеличением) свободной энергии.

Ещё одно преимущество фотосинтеза состоит в том, что запасание солнечной энергии происходит в очень удобной форме – молекулярной, в виде богатых энергией органических соединений, которые в любой необходимый момент могут быть использованы растениями или получающими через них энергию гетеротрофными организмами для покрытия своих энергетических потребностей.

Остальные процессы как в растениях, так и у животных осуществляется за счёт химической энергии, накапливаемой в фотосинтетиках за счёт поглощённого солнечного света.

Следовательно, пpaктически вся живая материя на Земле представляет собой прямой или отдалённый результат фотосинтетической деятельности растений. Общее потрeбление энергии в мировом масштабе составляет 10% от всей энергии, запасаемой фотосинтезом.

МАТЕРИАЛЬНАЯ ОСНОВА ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА.

Согласно второму закону термодинамики, если рассматривать Вселенную как закрытую систему, она идёт к своей дезинтеграции, так как запас полезной энергии, приводящий мировую машину в движение, рано или поздно будет исчерпан. Если запас полезной энергии в системе тает, то её способность поддерживать организованные структуры ослабевает. Высокоорганизованные структуры распадаются на менее организованные, которые в большей мере наделены случайными элементами. Мера внутренней неупорядоченности – энтропия – растёт.

Строение живой материи существенно отличается от мёртвой не только чрезвычайно сложной структурой, но и способностью отбирать из окружающей среды полезную энергию в количестве, необходимом для самосохранения и саморазвития, что достигается путём создания таких элементов материи, которые способны:

а) черпать свободную энергию из окружающего прострaнcтва в процессе их зарождения и развития и жизни

б) стремительно размножаться в питательной среде, вычерпывая её свободную энергию для сохранения упорядоченности системы

в) образовывать новые элементы живой материи, используя питательную среду для дополнительного уменьшения роста энтропии

г) в питательной среде сохранять информацию о структуре живых элементов, об их наследственности, изменчивости за счёт использования свободной энергии из окружающей среды.

Живое вещество биосферы способно продолжать своё “давление” на внешние оболочки Земли и потенциал этого давления не ослабевает.

Антропогенный фактор, вызывающий деструкцию биосферы, следует рассматривать как результат популяционного взрыва, который по закону будет неизбежно ликвидирован.

ЭНЕРГЕТИКА БИОГЕОЦЕНОЗОВ.

Мощность чистой первичной продукции растений, получаемой за счёт использования энергии Солнца, равна 1х10¹⁴ватт в год. В естественных экосистемах первичная продукция в основном переpaбатывается гетеротрофными организмами (часть органики захоранивается в осадочных горных породах), что обеспечивает замыкание биологического круговорота – необходимое условие устойчивого функционирования биосферы.

В экосистемах суши около 90% продукции растительного происхождения потрeбляется редуцентами – бактериями и грибами – сапрофагами. Около 10% продукции растительности потрeбляется червями, моллюсками и члeнистоногими. Все позвоночные потрeбляют не более 1% . При таком соотношении экосистемы устойчивы.

В современной биосфере в антропогенный канал, образуемый людьми и домашними животными поступает 25% всей первичной продукции растений.

Двадцатипятикратное увеличение потрeбляемой человечеством первичной продукции происходит не только благодаря энергии Солнца, но в основном за счёт дополнительных источников энергии.

Чтобы обеспечить замкнутость биологического круговорота в природно – хозяйственных системах, для поддержания современного антропогенного потрeбления людям необходимо сконструировать аналог естественных экосистем с мощностью 1х10¹⁴ ватт. Дополнительное энергопотрeбление даже при наличии неограниченных запасов источников энергии (например, термоядерной) может разрушить стабильность климата Земли.