Организация научных исследований школьниками по охране природы и экологическому краеведению

Введение

Фото 1. Поход в лес. 08.06.2014г.

Аннотация

Структура

Подготовка исследования/Выбор маршрута/Руководитель

—Куда мне отсюда идти? — А куда ты хочешь попасть? — А мне все равно, только бы попасть куда-нибудь. — Тогда все равно куда идти. Куда-нибудь ты обязательно попадешь.

Маршрут 1 – никуда идти не надо: изучаем всё, что находится рядом.
Подходит для любого времени года, для любого контингента, в том числе для инклюзивного образования.
Возможно использование лаборатории «Архимед», микроскопа, виртуальных лабораторий и библиотек.

Маршрут 2 – мой лес, луг, река: изучаем всё, что находится в непосредственной близости от населенного пункта.
Подходит для любого времени года, но преподавателю необходимо знать где и что в конкретное время можно наблюдать.
Возможно использование инструментов.

Маршрут 3 – выезд: изучаем нечто, по специальному плану.
Подходит для любого времени года, для мотивированных учащихся.

/Льюис Кэрролл: Алиса в Стране чудес/

Подготовка исследования/Выбор маршрута/Учащийся

Ментальные карты/ Рекомендации/http://kolesnik.ru/methods/mindmaps/

Софт для построения Ментальных карт - http://www.stimul.biz/ru/lib/soft/
Правила работы и использования Ментальных карт - http://kolesnik.ru/methods/mindmaps/
http://kolesnik.ru/2005/mindmapping/

Ментальные карты

Вы хотите узнать, что знают ваши ученики об изучаемом объекте и одновременно научить их систематизировать информацию.

1. Составьте Ментальную карту до начала проекта и в конце.
2. Что и как изменилось в восприятии и отношении учащихся к исследуемой теме.

Данные в проекте /Экспериментальные исследования/Строим маршрут/Учащийся

Используя Яндекс Карты (или аналогичные)
определите координаты начала и окончания маршрута, свое местоположение (с компасом), рельеф местности.

Данные в проекте /Экспериментальные исследования/Строим маршрут/Учащийся

Карты Яндекс/ Инструменты
станица Курская, Курский район, Ставропольский край, Россия
Широта 44°2′33″N (44.042582), Долгота 44°27′45″E (44.462375)

Диаграмма 1. Измерения средних значений влажности и освещенности по 18 лугам с использованием цифровой лаборатории «Архимед 4.0», датчик влажности DT014 (0-100%), датчик освещенности DT009-4 (0-150 кЛк)

1. Изучите интерфейс (MultiLab) цифровой лаборатории «Архимед 4.0» на компьютере.
2. Определите диапазоны измерения цифровых датчиков, выберите необходимый.
3. Проведите измерения влажности и освещенности в соответствии с планом эксперимента.

Методика проведения измерений включает:
выбор времени, места,
обработка и анализ результата

Часть базы данных, луг №13 от 6.08.2015г.

Часть побега с соцветиями и созревающим соплодием. Ставропольский край, Курский р-н, ст. Курская, долина р.Куры, влажный луг. 6.07.2015

Солодка щетинистая

Создайте собственную коллекцию фотографий и видео растений, насекомых, животных, птиц, ландшафта это развивает наблюдательность, умение сравнивать, анализировать, обрабатывать данные в различных программах.

Часть побега с соцветиями и созревающим соплодием. Ставропольский край, Курский р-н, ст. Курская, долина р.Куры, влажный луг. 6.07.2015

Солодка щетинистая

Соберите растения для Гербария в соответствии с целями и задачами проекта.
Сорванное растение СРАЗУ укладывайте в папку для засушивания.
Указывайте на этикетке дату и место сбора, обилие вида, название (если известно).

Солодка щетинистая
Семейство Fabaceae
Род Glycyrrhiza
Вид Glycyrrhiza echinata L.
Многолетник высотой 50-100 см.
Цветёт в июле - августе
Растет единично
Место сбора: влажный луг (участок 8) 1200м, долина реки Куры близ ст. Курской Ставропольского края.
Местообитание: влажный луг
Указан в Красных книгах
1183. G. echinata L. - С. щетинистая = Прик,ТБ,НК,Ст,ЛН,СК(Зап.др.средиз.); Aa(HK); [Sp.]
Собрано 06.07.2015

Пример подписи гербария

Систематика

Определите неизвестное растение на сайте «Плантариум» по ключевым признакам и коллекции фотографий.
Создайте свой флористический список, который автоматически отнесет ваше растение к соответствующему таксону. http://www.plantarium.ru

«Систематика есть одновременно и фундамент, и венец биологии, ее начало и конец. Без систематики мы никогда не поймем жизни в ее изумительном многообразии, возникшем в результате долгой эволюции» (А.Л.Тахтаджян, 1974).

Данные в проекте/ Теоретический материал/Достоверные данные/Руководитель

Актуальные сведения по видовому составу растений:
1183. G. echinata L. - С. щетинистая = Прик,ТБ,НК,Ст,ЛН,СК(Зап.др.средиз.); Aa(HK); [Sp.] / А.Л.Иванов Конспект флоры Ставрополья. 2-е издание, исправленное и дополненное, Ставрополь: Изд-во СГУ, 2001. 121 с

Для поиска растения в электронном каталоге используйте комбинацию клавиш «Ctrl» + «F»

Уточните видовой состав растений по определителям, составьте свой список интересных растений : лекарственных, краснокнижных, эндемиков, адвентивных и т.д.)

Обработка данных/Анализ результатов/Схема лугов/Учащийся

Обозначения на схеме1:

Литература:
Н.Н. Наумова, И.С. Шварева, Г.Н. Лаврова и др. Методы экологических исследований для школьников: Учебно- методическое пособие / под ред. Н.Н. Наумовой, И.С. Шваревой – Ковров: Маштекс, 2007.

Влажность до 20%

Влажность 20-40%

Влажность 40-60%

Влажность 60-80%

Сорный луг

1 - По результатам «Архимед»

Проблемный вопрос:
Как вы думаете, от чего зависит видовое разнообразие растений ?

Рис. 1. Фрагмент масштабируемой ландшафтной карты-схемы лугов долины реки Куры (дата создания 1.06.2015г.)

Обработка данных/ Анализ результатов/Встречаемость семейства/Учащийся

Табл. 1. Таблица встречаемости видов семейства Fabaceae (Бобовые) на 18 участках с указанием обилия вида

- 1. Выделены луга с максимальным числом видов
2. Итого по лугам

Пояснения к таблице:

1

- Наличие вида

Проблемные вопросы:
1. Почему на разных лугах встречаются разные виды одного семейства?
2. Что общего и чем отличаются луга с одинаковым количеством видов?
3. Что такое растения - индикаторы  и нет ли таких растений среди изучаемых?

Теоретическая база/ Модель/Что такое модель/Руководитель

1. М. Крогерус, Р. Чеппелер. Книга решений. 50 моделей стратегического мышления. – М.: ЗАО «Олимп-Бизнес», 2012. – 208 с.

Модель (фр. modèle, от лат. modulus — «мера, аналог, образец») — это система, исследование которой служит средством для получения информации о другой системе или представлении некоторого реального процесса

Требование к модели:
адекватность - соответствие модели исходной реальной системе и учет наиболее важных качеств, связей и характеристик;
точность - степень совпадения полученных в процессе моделирования результатов с заранее установленными, желаемыми.
Учет погрешности моделирования:
объективный - связанный с упрощением реальных систем, субъективный - обусловленный недостатком знаний и навыков, конкретного человека.

1. Биологическая модель воспроизводит на лабораторных животных определённые состояния или заболевания, встречающиеся у человека или животных.

2. Физико-химическая модель воспроизводит физическими или химическими средствами биологические структуры, функции или процессы и является аналогом моделируемого биологического явления.

3. Математическая модель строится на основе данных эксперимента, основываясь на закономерностях. Позволяет устанавливать сложные взаимосвязи и предсказать явления.

1. Изучение наследственности

2. Оптическая модель глаза

3. Модель «хищник-жертва»

Елена/учитель
Я подумала, сделаем модель «Садовник или лесник». Мы что-то сажаем и смотрим, что будет…

Женя/ученик
Это будет очень простая моделька :-( Можно посмотреть как взаимодействуют грибы, растения, животные травоядные плюс хищники, причем все они хоть и одного вида, но могут быть генетически разными

Рис. 1. Модель встречи ТБарана и ТСлона
(как видит человек )

Рис. 2. Модель встречи ТБарана и ТСлона
(как видит компьютер)

- ТСлон

- ТБаран

- ТДорога

- ТТрава

Елена/учитель
А эта для нас очень сложная(
Чем больше степеней свободы , тем меньше шансов, что мы сможем просчитать модель.
А если мы не сможем просчитать модель и проверить насколько она верна, то это плохая модель(((

Женя/ученик
везде только примеры «хищник-жертва» без всяких заморочек :-(

Елена/учитель
Почему? Можно, придумать свой клеточный автомат. Вот, например http://www.teafortwo.ru/logicheskie-igryi/igra-v-zhizn.html - известная игра Жизнь.

Женя/ученик
Это будет очень простая моделька :-( Можно посмотреть как взаимодействуют грибы, растения, животные травоядные плюс хищники, причем все они хоть и одного вида, но могут быть генетически разными

Елена/учитель
http://ithappens.me/story/365
- вот посмотри, пример забавной клеточной модели, созданной студентами…

Женя/ученик
Почему модель клеточная? .....для меня основное значение слова "клетка" - органическая))

Рис. 1. Модель встречи ТБарана и ТСлона
(как видит человек )

Рис. 2. Модель встречи ТБарана и ТСлона
(как видит компьютер)

- ТСлон

- ТБаран

- ТДорога

- ТТрава

Елена/учитель
…клеточная, так как все происходит в клетках таблицы

Женя/ученик
Скрипт бодро превратил ТСлона в квадратный метр свежей зеленой ТТравы, радостный ТБаран сожрал ее, и рухнул спать. Несчастного ТСлона поминали всей бригадой, включая преподавателя. шикарно)))

Елена/учитель
где ТБаран случайно съел ТСлона.
Идея модели такова: в созданном мире бродят дикие звери, ТБараны и ТСлоны.
Алгоритм программы не позволяет им находиться одновременно в одном и том же месте, но при встрече, чтобы не мешать, друг другу, они могут превращаться в случайные элементы ландшафта.

1. Каждый автомат или клетка может находиться в конечном числе состояний, в простейшем случае в двух - черное или белое, жизнь или смерть, 1 или 0.

Рис. 1. Двумерный клеточный автомат 10×10.

3. Состояние автомата в момент t + 1 определяется его состоянием и состоянием его ближайших соседей в предыдущий момент t.

2. В моделях клеточных автоматов среда обычно предполагается однородной, т.е. правило изменения состояний для всех клеток одинаковы

Изучите основные свойства Клеточного автомата
Что такое Клеточный Автомат?
Что вы понимаете под «состоянием клетки»?
Какое правило изменения среды вы бы предложили?
Предложите алгоритм влияния соседей друг на друга.

Теоретическая база/ Клеточный автомат /Игра «Жизнь»/Учащийся

Рис. 1. Игра «Жизнь» элемент Планер (glider) на квадратной решётке 10 × 10 с периодическими условиями
Из Википедии

Формулируем задачи проекта:
1. Ознакомиться с синтетической теорией эволюции, законами Менделя.
2. Определить основные характеристики, влияющие на видовое разнообразие растений и построить визуальную клеточную эволюционную модель биологического разнообразия.
3. Создать модель, отражающую генетическое строение и приспособленность изучаемого объекта к заданным условиям среды.
4. Предсказать количество и возможный генотип потомков, их приспособленность к среде.
5. Сравнить генотип родителей и потомков, их приспособленность, сделать вывод о будущем рассматриваемого вида растений.

Для конструирования модели выявите влияние уровней организации жизни и возможности эволюционных алгоритмов

Одно дерево — не лес, скопление отдельных клеток — не организм.
Свойства системы

- Организм живет в среде

- Организм изменяется под действием среды или мутаций

Что такое элементы организма?

Что такое среда и жизнь организма?

Что такое изменения среды и изменения организма?

Конструируем модель

1. Создаем организм уровня типа 4 или 5 с элементарной структурой аналогичной уровню 1.

2. Конструируем среду для жизни уровня 5,6 или 7 и создаем правила для жизни организма.

3. Придумываем правила изменения организма и среды.

Молекулярно-генетический уровень. Элементарная структура - ген.
2. Клеточный уровень.
3. Органно-тканевой уровень.
4. Организменный уровень.
Структурная единица – организм, отдельное живое существо, взаимодействующее со средой обитания.
5. Популяционно-видовой уровень. Структурная единица – популяция, приспособленная к среде обитания под действием естественного отбора.
6.Экосистемный уровень.  
Структурными элементами являются популяции разных видов. Микроэкосистема, мезоэкосистема, макроэкосистема.
7. Биосферный.
Структурные элементы - биогеоценозы (экосистемы)
Мега-экосистема. Включает всю совокупность живых организмов Земли вместе с окружающей природной средой.

Конструируем модель

Теоретическая база/ Клеточный автомат /Маргаритковый мир/Руководитель

«Суперпримитивная биосфера, состоящая из единственного вида растений, которые… умеют…варьировать цвет своих лепестков, способна создавать эффект космического характера — глобально менять температуру поверхности планеты» (К.Ю. Еськов, 1999).

https://batrachos.com/Свойства_сложных_систем - В модели рассматривается планета (Рис.2), находящаяся возле разогревающейся со временем звезды. На планете — единственный вид жизни, маргаритки, представленные двумя формами — черной и белой. Они живут лишь в определенном диапазоне температур.

Рис. 1. Визуальная модель «Маргаритковый мир»

Рис. 2. Схема работы модели «Маргаритковый мир»

Какие уровни организации жизни можно выделить в модели?

Теоретическая база/ Клеточный автомат /Цель проекта/Учащийся

Объект исследования: биологические системы.
Предмет исследования: наследование, изменение и роль генетической информации в биологических системах.

Моделирование/Теоретическая база/ Идеальная модель/Учащийся

Нужна для изучения климата

Нужна для построения маршрута

Объясняет смену времен года

Объясняет строение Земли

Почему много разных моделей?
Какая модель лучше?

Постройте графики зависимости
x n+1 (a) при постоянном x n для разных интервалов времени, сделайте вывод.
Пример построения рис.1, 2. (Рекомендации->)
https://docs.google.com/spreadsheets/d/1zPL7ax8831b8pXb31rDKIe7-O8g4j6jbeNN5Si39XKE/edit?usp=sharing
https://docs.google.com/document/d/1qn8BbmbJA5TSaMRO-UtEeoKRUviWELVI6JeWQgNSJTM/edit?usp=sharing

Численность популяции увеличивается в единицу времени на определенный процент.
x n+1 = a x n,
a – коэффициент роста численности популяции.
Если прирост численности популяции в единицу времени равен 5%,  то a= 1,05

Рис. 1. График зависимости x n+1 (a) t=10 ед.

Рис. 2. График зависимости x n+1 (a) t=50 ед.

Для изучения зависимости численности популяции в единицу времени для различных коэффициентов роста и начального значения численности популяции
x n+1 = a x n
Построить визуальную модель с использованием  полосы прокрутки в электронных таблицах.

Табл. 1. Пояснения к модели

Рис. 1. Создаем полосу прокрутки. Находим в панели управления Формы -> Полоса прокрутки. Вставляем полосу прокрутки на лист.

Рис. 3. Назначаем связь с ячейкой $C$2, заполняем поля Максимального и Минимального значения и Шага , учитывая, что полоса прокрутки работает для целочисленных значений, величина, используемая в модели будет храниться в ячейке D2 в виде: =C2/100

Рис. 2. Правой кнопкой щелкаем по полосе прокрутки на новой панели выбираем Формат объекта

Рис. 3. Элемент управления

Рис. 1. Формы

Рис. 2. Формат объекта

Моделирование/ Модель изменения численности популяции /Эксперимент -2/Учащийся

Табл. 2. Пояснения к модели

Рис. 4. Модель изменения численности популяции

Визуализация биологической  модели развития популяций

Вывод:
Для рекуррентного соотношения
x n+1 = a x n :
- популяция растет,  если a > 1
- не изменяется при a = 1
- убывает при а< 1.

Пример.
Рис. 4. Численность популяции Х возрастает при а=1,15

Моделирование/ Клеточная эволюционная модель биоразнообразия/Цель проекта/Учащийся

Объект исследования: биологические системы.
Предмет исследования: наследование, изменение и роль генетической информации в биологических системах.

Моделирование/ Клеточная эволюционная модель биоразнообразия/Задачи проекта/Учащийся

Рис. 1. Игра «Жизнь» элемент Планер (glider) на квадратной решётке 10 × 10 с периодическими условиями
Из Википедии

Формулируем задачи проекта:
1. Ознакомиться с синтетической теорией эволюции, законами Менделя.
2. Определить основные характеристики, влияющие на видовое разнообразие растений и построить визуальную клеточную эволюционную модель биологического разнообразия.
3. Создать модель, отражающую генетическое строение и приспособленность изучаемого объекта к заданным условиям среды.
4. Предсказать количество и возможный генотип потомков, их приспособленность к среде.
5. Сравнить генотип родителей и потомков, их приспособленность, сделать вывод о будущем рассматриваемого вида растений.

Для конструирования модели выявите влияние уровней организации жизни и возможности эволюционных алгоритмов

Моделирование/ Клеточная эволюционная модель биоразнообразия/Блок схема

Рис. 1. Блок схема эволюционного алгоритма клеточного автомата видового разнообразия.

Моделирование/ Клеточная эволюционная модель биоразнообразия/Схема работы

Рис. 1. Схема работы алгоритма

Моделирование/ Клеточная эволюционная модель биоразнообразия/Исследовательская деятельность

Рис. 1. Пример работы программы. Создание новой особи (потомок). Вычисление приспособленности (k=-3), число потомков (Y=15)

Мотивацией при выборе темы послужил интерес к изучению процессов, влияющих на эволюцию развития систем.

Рис. 2. Развитие популяции, под влиянием естественного отбора и подбора наименее подходящей среды обитания
Y – количество потомков K- коэффициент приспособленности

Художнику

Биологу

Реализованные проекты - Мамакина Татьяна, 9 класс:
Инвентаризация флоры долины реки Куры
и её анализ – 2015г.
2. Несоответствие видового состава растений
долины реки Куры относительно
«Конспекта флоры Ставрополья» - 2016г.
(Диплом I степени «В науку первые шаги»)

Биологу-генетику

Изучает:
историю изучения флоры Кавказа;
открытия ботаников-исследователей флоры
Северного Кавказа;
методику полевых ботанических исследований;
конспект флоры по справочникам.
Создает:
гербарии, флористический список, презентации, видеофильмы.

Художнику

Биологу

Биологу-генетику

Реализованные проекты Мелещенко Евгений, 11 класс:
1. Клеточная эволюционная модель
биоразнообразия – 2015г.
(Диплом II степени «Шаг в будущее»,
Диплом I степени «В науку первые шаги»)
2. Использование генетического алгоритма
для изучения передачи генетической информации
в биологических системах – 2016г.

Изучает:
идеи синтетической теории эволюции и законы Менделя;
характеристики, влияющие на видовое разнообразие растений;
классические эволюционные алгоритмы;
язык программирования.
Создает:
модели, презентации, видеофильмы.

Нил Шубин. Внутренняя рыба. История человеческого тела с древнейших времен до наших дней (Neil Shubin. Your Inner Fish: A Journey into the 3,5-Billion-Year History of the Human Body) CORPUS, Издательство «Астрель», 2010 г.
http://scisne.net/a-1119
Почему мы выглядим так, как выглядим? Что общего между человеческими руками и, допустим, крылышками бабочки?