Przyroda od zawsze budziła ciekawość ludzi. Obserwując otaczający świat, zadawano pytania o istotę procesów i zjawisk przyrodniczych. Człowiek bada wszystko – od najdrobniejszych elementów komórkowych po dalekie galaktyki. I wciąż stawia nowe pytania.

RIlJunhNTnt1j1

Fotografia przedstawia wycieczkę w teren - obserwacja przelotów ptaków.

1. Źródła wiedzy biologicznej

Wiedza biologiczna jest gromadzona od pokoleń głównie dzięki badaczom prowadzącym obserwacje i eksperymenty. Naukowcy publikują swoje odkrycia w dziełach i czasopismach naukowych. Wiedza, w miarę upowszechniania się, trafia do podręczników, encyklopedii i słowników. Atlasy anatomiczne oraz przewodniki do oznaczania roślin, zwierząt i grzybów dostarczają wielu informacji o budowie i występowaniu organizmów. Cennym źródłem wiedzy o stworzeniach żyjących w różnych rejonach świata, ich zachowaniach i zwyczajach są filmy przyrodnicze. Podstawową wiedzę można czerpać z podręczników szkolnych, a uzupełniać ją, zgłębiając literaturę popularnonaukową, czytając artykuły w czasopismach przyrodniczych i przeglądając zasoby Internetu. Uczniowie, podobnie jak naukowcy, mogą samodzielnie wykonywać doświadczenia czy prowadzić obserwacje (także w terenie) i według własnych pomysłów odkrywać prawa rządzące światem istot żywych. Dobrym sposobem na poznanie przyrody jest też odwiedzanie muzeów przyrodniczych, ogrodów botanicznych i zoologicznych. Biologia jest więc nauką opartą na odkrywaniu, analizowaniu i przetwarzaniu informacji o istotach żywych.

RJKmgIBnaOSjA1

Zdjęcie przedstawia dziecko uprawiające rośliny w ogródku.

R1OKoQsIw3JCf1

Zdjęcie przedstawia zabawę człowieka z kotem.

RvwTok3mGX6bj1

Zdjęcie młodzieży w białych fartuchach trzymającej naczynia laboratoryjne i obserwującej ich wnętrze. Na pierwszym planie mikroskop.

RIlJunhNTnt1j1

Fotografia przedstawia wycieczkę w teren - obserwacja przelotów ptaków.

R1LR2qnFMvtC01

Fotografia przedstawia wnętrze muzeum przyrodniczego, na pierwszym planie szkielet dinozaura.

Ciekawostka

Wirtualny Kampinoski Park Narodowy to portal internetowy dla młodzieży szkolnej, turystów i wszystkich miłośników przyrody, prezentujący walory przyrodnicze tego parku. Umożliwia on wirtualne wędrówki po ścieżkach edukacyjnych. Przemierzając trasy, można zobaczyć las w wiosennej i letniej szacie roślinnej, a także wyświetlić zdjęcia charakterystycznych dla tego środowiska organizmów. Portal udostępnia mapy tematyczne z opisami tras, zachęcając w ten sposób do wycieczek w terenie, podczas których turyści mogą samodzielnie prowadzić obserwacje różnych gatunków roślin i zwierząt, a zgromadzone informacje wpisywać w specjalnie przygotowanych formularzach.

R1FYyrgns2GSR1

Ilustracja stanowi zrzut ekranu ze strony głównej Wirtualnego Kampinoskiego Parku Narodowego.

2. Obserwacje biologiczne

W metodzie naukowej obserwacjaobserwacjaobserwacja jest celowym sposobem gromadzenia informacji o organizmach, zjawiskach i procesach. Badacz prowadzący obserwacje powinien zadbać o to, żeby nie wpływać ani na przebieg obserwowanego zjawiska lub procesu, ani na obserwowany organizm.

RxhMZDUaXx2XK1

Ilustracja przedstawia zestaw pytań, stawianych podczas planowania obserwacji, odnoszących się do celu, miejsca, czasu i sposobu obsrwacji.

Obserwacje można prowadzić za pomocą wszystkich zmysłów. Na przykład do rozpoznawania gatunków drzew wykorzystuje się wzrok, do rozróżniania gatunków ptaków na podstawie ich śpiewu – słuch, do sprawdzania smaku nieznanej potrawy – węch i smak, do oceny świeżości chleba – dotyk. Można również użyć specjalistycznych przyrządów: mikroskopu, lupy czy lornetki. Obserwacje można prowadzić w naturalnym środowisku życia organizmów lub w warunkach sztucznych, np. w laboratorium. Dobrze zaplanowana obserwacja powinna mieć określone cel, czas i miejsce.

Obserwacje mogą dotyczyć czynników ilościowych lub jakościowych. W pierwszym przypadku prowadzi się pomiary na przykład ilości, masy, wysokości czy długości ciała organizmu. Mierzone mogą być również czynniki środowiska: temperatura, ciśnienie atmosferyczne lub wilgotność powietrza. Obserwacje jakościowe dotyczą cech możliwych do opisania, ale niepoddających się pomiarowi – jak barwa, kształt czy zapach.

Wyniki obserwacji są dokumentowane w formie opisów, fotografii, filmów czy nagrań dźwiękowych. Dokumentacja ta powinna powstawać w trakcie prowadzenia obserwacji, co pozwoli uniknąć nieścisłości i pominięcia ważnych szczegółów. Obserwacja może być stosowana jako niezależna metoda badawcza albo jako ważny element doświadczeń przyrodniczych.

R1NUZfaQu1GEL1

Infografika zawiera przykładowy plan obserwacji ptaków. Po pierwsze trzeba ustalić cel obserwacji: ustalamy, jakie gatunki ptaków najliczniej odwiedzają karmnik w okolicy szkoły. Po drugie potrzebne będzie określenie niezbędnych do przeprowadzenia obserwacji materiałów i przyrządów: notatnik, atlas ptaków, aparat fotograficzny. W następnej kolejności zaprezentowana jest instrukcja wykonania obserwacji: 1. Rozpocznij obserwację ptaków na początku stycznia, gdy ziemię pokryje śnieg. Prowadź ją przez dwa tygodnie, codziennie od godz. 13.00 do 13.15.2. Ustal, korzystając z atlasu ptaków, jakie gatunki odwiedzają karmnik. 3. Zrób zdjęcia przedstawicielowi każdego gatunku. 4. Zapisz cechy umożliwiające rozpoznanie obserwowanych gatunków. 5. Na początku obserwacji policz ptaki każdego gatunku znajdujące się w karmniku. 6. Zapisz dane liczbowe w tabeli: „Liczba osobników poszczególnych gatunków ptaków odwiedzających karmnik”. 7. Opracuj wyniki liczbowe i sporządź wykresy: „Liczba ptaków danego gatunku w zależności od daty” oraz „Liczba zaobserwowanych ptaków według gatunków”.

RBlDwPNmGEojB1

Ilustracja stanowi przykład dokumentacji z przeprowadzonej obserwacji wróbla, sikorki bogatki, dzięcioła dużego, gila zwyczajnego. Do fotografii każdego z tych ptaków dołączono dane jakościowe stanowiące wynik przeprowadzonej obserwacji. Wróbel: brązowy grzbiet i skrzydła, szary brzuch, samce z czarnym krawatem. Sikorka bogatka: czarna głowa, białe policzki, grzbiet oliwkowy, skrzydła szare z białym paskiem, brzuch żółty. Dzięcioł duży: ptak dwa razy większy, niż wróbel, czarno-biały z czerwonym podogoniem. Gil zwyczajny: większy od wróbla, brzuch i pierś u samic brązowo-różowa, u samców czerwona, biały kuper.

RuLCSjxnE6Cu61

Ilustracja stanowi przykład dokumentacji z przeprowadzonej obserwacji w zakresie danych ilościowych. W tabeli podana jest liczba ptaków poszczególnych gatunków odwiedzajacych karmnik w poszczególne dni, w których przeprowadzano obserwację.

RBD48R9Um646i1

Ilustracja jest przykładowym opracowaniem wyników obserwacji. Opracowanie wyników polega na uporządkowaniu danych, obliczaniu średniej, wartości procentowych, przedstawienia wyników na wykresach i diagramach. Na wykresie przedstawiono liczbę danego gatunku ptaków w zależności od daty.

RfPwUH5HhNXoy1

Ilustracja prezentuje ostatni element dokumentacji obserwacji: sformułowanie wniosków, czyli uogólnienie wyników oraz sformułowanie kolejnych pytań badawczych. Wnioski z obserwacji stają się najczęściej podstawą do formułowania kolejnych pytań badawczych i znajdowania odpowiedzi na nie. Dla przykładowej obserwacji sformułowano następujący wniosek: Karmnik odwiedzały wróble, sikory bogatki, gile zwyczajne, dzięcioły duże. Karmnik najliczniej odwiedzały wróble. Liczba wróbli odwiedzających karmnik jest bardzo zmienna, liczba pozostałych gatunków jest raczej stała. Karmnik odwiedzały samce i samice gila, samce i samice wróbla oraz samica dzięcioła. U sikory bogatki trudno odróżnić płeć ptaków. Pytanie badawcze, jakie powstało na podstawie sformułowanych wniosków, to: Jaki jest związek między rodzajem pokarmu wykładanego w karmniku a liczebnością odwiedzających go sikor?

RqduguInt5Vhi1

Film przedstawia bogatkę i modraszkę dziobiące pokarm w karmniku na zewnętrznym parapecie okna. Najpierw pojawia sie modraszka. Ma żółty brzuch, zielonożółty grzbiet i czarnobiała głowę. Polczki białe, brak czapeczki na głowie. Wydziobuje orezchy z łupin. Póżniej pojawia się bogatka. Jest nieco większa od modraszka, podobnie ubarwiona, ma czarną czapeczkę na głowie. dzibie ziarana zbóż.

Film przedstawia bogatkę i modraszkę dziobiące pokarm w karmniku na zewnętrznym parapecie okna. Najpierw pojawia sie modraszka. Ma żółty brzuch, zielonożółty grzbiet i czarnobiała głowę. Polczki białe, brak czapeczki na głowie. Wydziobuje orezchy z łupin. Póżniej pojawia się bogatka. Jest nieco większa od modraszka, podobnie ubarwiona, ma czarną czapeczkę na głowie. dzibie ziarana zbóż.

Film dostępny na portalu epodreczniki.pl

Film przedstawia bogatkę i modraszkę dziobiące pokarm w karmniku na zewnętrznym parapecie okna. Najpierw pojawia sie modraszka. Ma żółty brzuch, zielonożółty grzbiet i czarnobiała głowę. Polczki białe, brak czapeczki na głowie. Wydziobuje orezchy z łupin. Póżniej pojawia się bogatka. Jest nieco większa od modraszka, podobnie ubarwiona, ma czarną czapeczkę na głowie. dzibie ziarana zbóż.

Ciekawostka

W naukach biologicznych coraz częściej stosowana jest metoda modelowania połączona z symulacjami komputerowymi. Polega ona na odtwarzaniu zjawisk i obiektów biologicznych w rzeczywistości wirtualnej i obserwowaniu działania modelu stworzonego na komputerze. Dzięki tej metodzie można na przykład przedstawiać cząsteczki o rozmiarach niewidocznych dla oka ludzkiego lub nieistniejące już organizmy, jak np. dinozaury, a także przeprowadzać symulowane doświadczenia na zwierzętach bez narażania ich na cierpienie. Doświadczenia modelowe (oparte na modelowaniu) mogą odbywać się również na lekcjach biologii (np. doświadczenie 1. w lekcji 5.).

R1GiARXoUWs9X1

Ilustracja, stworzona przez program komputerowy, przedstawia model cząsteczki hemu, czerwonego barwnika krwi.

R123LwCzSRcfs1

Ilustracja prezentująca model struktury przestrzennej komórek nerwowych w mózgu.

R1ZN2behgGatJ1

Ilustracja przedstawia rekonstrukcję wyglądu dinozaurów i środowiska ich życia.

3. Doświadczenia biologiczne

Czasem same obserwacje nie wystarczą, żeby zaspokoić naszą ciekawość. Gdy chcemy się dowiedzieć, dlaczego zachodzi interesujące nas zjawisko lub jakie czynniki mają wpływ na jego przebieg, musimy przeprowadzić doświadczenie (eksperyment).

Jest to metoda, która polega na prowadzeniu badania w ściśle określonych i kontrolowanych warunkach zgodnie z zasadami postępowania opracowanymi w naukach przyrodniczych. W doświadczeniu celowo zmienia się (dodaje lub usuwa, wzmacnia lub osłabia) jeden z czynników wpływających na organizm albo proces. Potem obserwuje się skutek tej zmiany.

Przed przystąpieniem do eksperymentu należy określić problem badawczyproblem badawczyproblem badawczy, czyli postawić pytanie, na które chcemy uzyskać odpowiedź. Problem badawczy może być zdaniem twierdzącym lub pytającym. Następnie na podstawie własnej wiedzy i intuicji formułuje się hipotezęhipotezahipotezę, czyli przypuszczenie – „roboczą” odpowiedź. Hipoteza zawsze jest zdaniem twierdzącym.

R1KyqPDc5oTy41

Ilustracja przedstawia przykłady problemów badawczych i dostosowanych do nich hipotez, stanowiacych próbę odpowiedzi na postawione pytanie badawcze. Problem badawczy: Jakie czynniki mają wpływ na kiełkowanie nasion? Dopasowane do problemu hipotezy: Do kiełkowania nasion potrzebne jest światło. Nasiona kiełkują w obecności wody. Problem badawczy: Od czego zależy szybkość kiełkowania nasion? Hipotezy: Szybkość kiełkowania zależy od temperatury gleby. Szybkość kiełkowania zależy od gatunku rośliny. Wielkość nasion ma wpływ na szybkość kiełkowania. Pytanie badawcze: Dlaczego nasiona łubinu nie kiełkują mimo sprzyjających warunków? Hipotezy: Kiełkowanie łubinu uniemożliwia łupina nasienna. Zarodek łubinu nie jest w pełni ukształtowany. Ilustracja zawiera także wskazówki co do prawidłowego formułowania hipotez: hipoteza może być fałszywa a mimo to jej weryfikacja może być poprawna; jedna hipoteza wskazuje jeden czynnik; zmienna niezależna jest wybrana przez badacza; zmienna zależna - jej wartość zależy od zmiennej niezależnej.

Żeby sprawdzić, czy hipoteza jest prawdziwa, planuje się i przeprowadza odpowiednie doświadczeniedoświadczeniedoświadczenie. Na początku należy zdecydować, jaki obiekt zostanie poddany doświadczeniu i wpływ jakiego czynnika będziemy badać. Następnie wybiera się potrzebne przyrządy i odczynniki oraz sposób ich użycia. Planuje się dwa zestawy (próby): badawczy i kontrolny. W zestawie badawczym badany czynnik wpływa na obserwowany obiekt, a w zestawie kontrolnym – nie (albo oddziałuje, jednak jego wartość jest bardzo mała). Poza badanym czynnikiem w obu zestawach panują jednakowe warunki. Dzięki próbie badawczejpróba badawczapróbie badawczej i kontrolnejpróba kontrolnakontrolnej można porównać wyniki i wyciągnąć wnioski na temat działania określonego czynnika.

Planując przebieg doświadczenia, należy też określić, ile razy badanie będzie powtórzone. Kolejne obserwacje (pomiary) pozwolą uniknąć przypadkowych błędów. Jeśli otrzymane wyniki potwierdzają przypuszczenie, uznaje się, że hipoteza była trafna. Jeśli nie, zakłada się następną hipotezę i planuje kolejne doświadczenie, aż do wyjaśnienia przyczyn zjawiska.

R15f06fytDgzu1

Ilustracja interaktywna przedstawia etapy doświadczenia. Pierwszy etap to sytuacja, która wywołała zaciekawienie. Zjawiska zachodzące w świecie przyrody zachęcają bowiem do stawiania pytań: Jak przebiega to zjawisko? Dlaczego ono zachodzi? Jakie czynniki mają na nie wpływ? Drugi etap to sformułowanie problemu badawczego. Na tym etapie wybieramy jedno z pytań, które pojawiło się nam w poprzednim etapie i precyzujemy je. Trzeci etap to postawienie hipotezy. Na tym etapie formułujemy przypuszczenia, czyli próbujemy odpowiedzieć na pytanie zawarte w problemie badawczym. Czwarty etap to zaplanowanie doświadczenia. Do postawionej hipotezy planujemy próbę badawczą i próbę kontrolną. Kolejny etap to przeprowadzenie doświadczenia. Obserwujemy przebieg procesu i zwracamy uwagę na różnice między próbą badawczą i kontrolną. Notujemy wyniki obserwacji oraz opracowujemy wyniki. Doświadczenie przeprowadzamy na dużej grupie okazów lub je powtarzamy. Ostatni etap to weryfikacja hipotezy. Formułujemy wniosek oraz oceniamy, czy sprawdzana hipoteza okazała się prawdziwa.

Ilustracja interaktywna przedstawia etapy doświadczenia. Pierwszy etap to sytuacja, która wywołała zaciekawienie. Zjawiska zachodzące w świecie przyrody zachęcają bowiem do stawiania pytań: Jak przebiega to zjawisko? Dlaczego ono zachodzi? Jakie czynniki mają na nie wpływ? Drugi etap to sformułowanie problemu badawczego. Na tym etapie wybieramy jedno z pytań, które pojawiło się nam w poprzednim etapie i precyzujemy je. Trzeci etap to postawienie hipotezy. Na tym etapie formułujemy przypuszczenia, czyli próbujemy odpowiedzieć na pytanie zawarte w problemie badawczym. Czwarty etap to zaplanowanie doświadczenia. Do postawionej hipotezy planujemy próbę badawczą i próbę kontrolną. Kolejny etap to przeprowadzenie doświadczenia. Obserwujemy przebieg procesu i zwracamy uwagę na różnice między próbą badawczą i kontrolną. Notujemy wyniki obserwacji oraz opracowujemy wyniki. Doświadczenie przeprowadzamy na dużej grupie okazów lub je powtarzamy. Ostatni etap to weryfikacja hipotezy. Formułujemy wniosek oraz oceniamy, czy sprawdzana hipoteza okazała się prawdziwa.

Zasób interaktywny dostępny pod adresem https://zpe.gov.pl/a/DVkaH74A4

RfJMDQrGhiDwq1

Grafika zawiera dokumentację z przeprowadzonego doświadczenia. Sytuacja problemowa: Agata postanowiła zrobić mamie niespodziankę i samodzielnie upiec ciasto drożdżowe. Korzystając z rodzinnego przepisu, przygotowała składniki, wymieszała ciasto i umieściła je w piekarniku. Jakie było jej rozczarowanie, gdy się okazało, że ciasto nie urosło tak, jak zwykle rośnie ciasto mamy. Problem badawczy: Dlaczego ciasto nie wyrosło? Hipotezy: Warunkiem wyrośnięcia ciasta jest dodanie do niego cukru. Ciasto nie może wyrosnąć bez drożdży. Aby ciasto wyrosło, trzeba je pozostawić w cieple przed włożeniem do piekarnika.

RoGqk0GiFqoLm1

Grafika zawiera szczegółową instrukcję przeprowadzenia doświadczenia. Polecenie 1. Wyrób ciasto, uformuj kulki. Należy przygotować cztery zestawy ciasta, każdy z różną ilością cukru. Składniki powtarzające się w każdym zestawie to: 4 łyżki mąki, 1 łyżka wody, grudka drożdży wielkości ziarnka grochu. Do jednego zestawu nie należy w ogóle dodawać cukru. Będzie to próba kontrolna pozbawiona czynnika, który może być odpowiedzialny za wyrośnięcie ciasta. Do drugiego zestawu należy dodać 1 szczyptę cukru, do drugiego - dwie, do trzeciego - trzy. Polecenie 2. Umieścić kulki w szklankach. Szklanki należy odpowiednio podpisać: zestaw 0, zestaw 1, zestaw 2, zestaw 3. Następnie gumką recepurką naciągniętą na szklankę zaznaczyć wysokość kulki ciasta na początku doświadczenia. Wszystkim szklankom należy zapewnić jednakowe warunki - przechowywać je w jednakowej temperaturze.

RlPjxHiWNyoHx1

Grafika prezentuje wynik przeprowadzonego doświadczenia. Wynik doświadczenia można przedstawić rysunkiem, dokonać pomiaru wysokości kulki lub sfotografować zestawy. Ilustracja zawiera rysunki 4 szklanek. Każda zawiera kulkę ciasta różnej wielkości. Tylko w przypadku pierwszego zestawu, to jest zestawu zero, w którym znajduje się ciasto bez dodatku cukru, nie zaszła żadna zmiana. Kulka ciasta jest takiej samej wielkości jak na początku doświadczenia. W kolejnych zestawach kulki ciasta urosły - są większe niż na początku doświadczenia, przy czym najbardzej urosła ta kulka, do której dodano najwięcej cukru. Na tej podstawie sformułowano wniosek z przeprowadzonego doświadczenia: Im więcej cukru, tym ciasto lepiej rośnie. Oznacza to, że hipoteza mówiąca o tym, że warunkiem wyrośnięcia ciasta jest dodanie do niego cukru, jest prawdziwa.

4. Dokumentowanie obserwacji i doświadczeń biologicznych

Aby obserwacje i doświadczenia miały wartość naukową, ich przebieg musi być skrupulatnie dokumentowany. Podstawowa dokumentacja powinna zawierać:

• zapis celu doświadczenia lub obserwacji (ewentualnie zapis problemu badawczego i badanej hipotezy);

• sposób przeprowadzenia badania, np. w postaci schematu przedstawiającego zestawy;

• wynik (jeśli rozwiązujemy problem badawczy – także wniosek).

Obserwacje mogą być dokumentowane opisem, rysunkami, fotografiami, nagraniami dźwiękowymi lub filmami opatrzonymi odpowiednim komentarzem. Wyniki badań polegających na wykonywaniu pomiarów zapisuje się w tabelach i ilustruje za pomocą wykresów. Tabela pozwala uporządkowanie dane i ułatwia wychwycenie zależności podczas prowadzenia pomiaru. Oprócz danych liczbowych w tabeli można gromadzić również dodatkowe notatki i spostrzeżenia dotyczące przebiegu badania. Na podstawie danych liczbowych konstruuje się wykresy pozwalające porównywać wyniki uzyskane w kolejnych próbach, a także dostrzec zależności trudne do wychwycenia w tabeli. Wykresy ułatwiają formułowanie trafnych wniosków.

RmkDJbwRMyVHl1

Schemat przedstawia listę warunków zapewnienia wiarygodności doświadczenia. 1. Duża liczba badanych osobników (co najmniej kilka). 2. Przynależność osobników do tego samego gatunku. 3. Ten sam wiek osobników. 4. Próba kontrolna. 5. Powtarzalność wyników (co najmniej trzy razy). 6. Dokładna dokumentacja.

Słowniczek

Podsumowanie

• Źródłem wiedzy biologicznej są przede wszystkim obserwacje i doświadczenia.

• Badania naukowe odbywają się zgodnie z wyznaczoną procedurą, którą nazywamy metodą naukową.

Zadania