Программы курсов

Во-вторых, этот курс прививает потребность задавать вопросы типа "как это (орган, ткань, органоид клетки) работает?" и позволяет предлагать вполне разумные гипотезы о молекулярных механизмах и некоторых физических явлениях, лежащих в основе функционирования этих живых структур.

Курс опробован сначала в качестве программы биологического кружка, а с 1990 г. используется в качестве основного обязательного курса для школьников, окончивших 6 класс, на Летней Экологической Школе. В настоящее время подготовлен учебник по этому курсу.

Введение школьников "с нуля" в современную биологию, базирующуюся на представлениях о химических и физических основах функционирования живой клетки, а через цитологию - в современное естествознание, базирующееся на комплексном, многодисциплинарном подходе к любому природному явлению или объекту.

1. Дать представление о химических и физических основах функционирования живой клетки (тепловое движение, диффузия, осмос, гидрофильность - гидрофобность, структура биополимеров, энергия и работа, законы сохранения, тепловые эффекты хим. реакций, строение атома, химическая связь, электростатика, электроотрицательность, основы теории электролитической диссоциации).
2. Разобрать основные процессы, происходящие в живых клетках (питание, переваривание пищи, синтез биополимеров, катаболизм, транспорт отдельных молекул и целых органоидов, функционирование цитоскелета), а также методы исследования их ультраструктуры, в контексте физико-химических основ этих процессов.
3. Привить школьникам принятый в современной биологии структурно-функциональный подход (для школьника это означает потребность задавать вопросы типа "как это (орган, ткань, органоид клетки) работает?"), что позволяет активно использовать содержание курса при чтении книг и на занятиях.

(7 лекционно-семинарских занятий по 2 ч.)

1. Основы биофизики. Тепловое движение частиц вещества. Броуновское движение. Диффузия. Осмос через полупроницаемые мембраны. Опыт: целлофановый мешочек с раствором сахара погружен в воду. Осмос в живой природе. Тургор растительных клеток. Сократительные вакуоли простейших. Сравнение скорости диффузии в газе и жидкости. Трахейные системы водных личинок насекомых.
2. Внутреннее строение клетки (обзор морфологии одномембранных органоидов). Изучение морфологии клеток. Фиксация. Проводка и заключение в смолу (парафин). Резка и реконструирование трехмерной структуры. Морфология митохондрий.
3. Эндоцитоз. Экзоцитоз. Цитоскелет. Микротрубочки. Питание клетки. Полимеры и мономеры. Пищеварение в пищеварительных вакуолях. Транспорт через комплекс Гольджи и работа пищеварительных ферментов и белков-переносчиков. Митоз. Фазы митоза.
4. Гидрофильность и гидрофобность. Капиллярность. Строение молекул липидов. Строение и работа мембран. Положение молекулы белка в мембране. Каналы. Белок щелевых контактов.
5. Структура белков. Аминокислоты (без химических формул: 20 аминокислот, каждая состоит из стандартного и специфического участков, при синтезе белка стандартные участки соединяются друг с другом, а специфические "свисают"). Вторичная структура белка: -спираль, -структура. Третичная структура (на основании представлений о гидрофильности и гидрофобности).
6. Информация о структуре белков. ДНК и РНК. Структура нуклеиновых кислот. Принцип комплементарности оснований в НК. Транскрипция иРНК, тРНК, рРНК. Сборка рибосом в ядрышке. Соединение аминокислот с соответствующими т-РНК с помощью аминоацил-тРНК-синтетаз. Трансляция. Код РНК. Работа рибосомы. Синтез белков на ЭПС. Лидерная последовательность.
7. Экзамен по первой части курса

(6 лекционно-семинарских занятий по 2 ч.)

1. Электризация тел трением. Электричество. Электрический заряд. Взаимодействие заряженных тел. Электроны и ядра. Электроскоп. Проводники и изоляторы. Металлы и неметаллы. "Электронный газ". Электролиты. Конденсатор. Энергия конденсатора.
2. Строение атома. Заряд ядра и число электронов. Периодическая система Менделеева. Строение ядра. Протоны. Нейтроны. Масса атома. Радиоактивность. Изотопы. Число электронов в электронной оболочке (I-III периоды). Уровни и подуровни. Орбитали. Форма орбиталей. Распределение электронов по орбиталям. Спин.
3. Векторные и скалярные величины. Закон Кулона. Электроотрицательность. Металлы и неметаллы: свойства и положение в периодической таблице. Взаимодействие электронных оболочек. Химические реакции. Строение молекул. Ковалентная, ионная связи. Структурные формулы. Подвижность атомов в молекуле.
4. Метод ионных связей. Составление формул бинарных соединений. Молекулы воды и этилового спирта. Водородная связь. Аномальные свойства воды. Амидная связь. Вторичная структура белков.
5. Ионы. Проведение электрического тока раствором электролита.
6. Экзамен по всему курсу

Цель курса. Дать представление об общей и частной экологии и их взаимосвязях с зоологией на примере достаточно интересного, повсеместно встречающегося и в целом знакомого ребятам таксона - насекомых.

• Дать представление о глобальной роли насекомых на Земле, и об их своеобразии как систематической группы.
• Изучить основные группы насекомых и их отличительные особенности (морфологические и функционально-экологические).
• Продемонстрировать два подхода в изучении насекомых: морфологический (систематика) и экологический (экология насекомых).
• Подготовить школьников к восприятию курсов "Переход к многоклеточности" и "Пресноводные беспозвоночные" (7 класс) и "Общая экология" (8 класс).

3.Экскурсия: Насекомые, обитающие в траве и кустах.

5.Экзамен по практической части

Курс рассчитан на учащихся 6 класса, прослушавших курс лекций по цитологии, и является его непосредственным продолжением.

Цель данного курса - введение в проблематику современной физиологии, демонстрация взаимосвязанности молекулярно-биохимических, физиологических и экологических особенностей организма растения.

Занятие 1 (лекция). Фотосинтез как источник энергии в биосфере; превращения энергии и эффективность фотосинтеза; цикл двуокиси углерода; спектр солнечного излучения; основы квантовой теории.

Занятие 2 (лекция). Поглощение света атомами и молекулами; пигменты различных фотосинтезирующих организмов и их роль в фотосинтезе; строение фотосинтетического аппарата на уровне молекул и органелл клетки.

Занятие 3 (практикум). Строение фотосинтетического аппарата у высших растений и водорослей. Хроматография как метод изучения фотосинтетических пигментов.

Занятие 4 (лекция). Транспорт электронов и фосфорилирование при фотосинтезе; циклический и нециклический транспорт электронов.

Занятие 5 (лекция). Фиксация двуокиси углерода; пространственная и временная локализация этого процесса; экологические адаптации фотосинтеза (С4- и САМ-фотосинтез).

Занятие 6 (лекция). История возникновения гормональной теории в физиологии растений; определение гормонов; ауксины: локализация синтеза, транспорт, ответ клетки на ауксины, инактивация ауксинов.

Занятие 7 (лекция). Цитокинины: локализация синтеза, транспорт, антагонизм с ауксинами, ответ клетки на цитокинины, инактивация цитокининов.

Занятие 8 (лекция). Факторы, действующие на растение; понятие о дозе и компетентности фактора; стресс; абсцизовая кислота, этилен и другие стрессовые гормоны растений.

Занятие 9 (лекция). Рецепторы световых сигналов у растений; гиббереллины; фитохром; роль света в процессах морфогенеза.

Занятие 10. Экзамен по курсу (в форме устного собеседования последовательно с каждым обучающимся).

Курс продолжает "физико-химическую" тему в обучении школьников, и в этом смысле является прямым продолжением курсов "Цитология с основами естественных наук" и "Физиология растений и основы геоботаники", так как расставляет те же акценты, что и в изучении строения и работы живой клетки, в изучении поведения целого многоклеточного организма.

Цель курса. Введение в биофизику как связный комплекс физических, химических и биологических представлений о функционировании живых систем.

1.Строение нейрона (аксон, дендриты, возбудимая и невозбудимая мембрана, синапсы). Нейронные сети в организме животного. Рефлекторная дуга. Клетки-рецепторы. Типы рецепторов. Мотонейроны и эффекторы. Интернейроны. Рефлексы и центральные программы. Командные нейроны.

2.Биофизические основы работы нейрона. Осмос. Равновесие Нернста. Строение возбудимой мембраны. Натрий-калиевый насос, калиевые и потенциал-зависимые натриевые каналы. Характеристики электрического поля. Сила Кулона. Напряженность эл. поля. Работа силы Кулона. Потенциал электрического поля. Потенциал покоя нейрона.

3.Потенциал действия. Расчет скорости нервного импульса в зависимости от параметров аксона. Миелин. Шванновские клетки. Типы синапсов (электрические, химические, возбуждающие и тормозные). Основные нейромедиаторы.

4.Нейронные сети из формальных нейронов. Условные знаки для схем. Простейшие задачи. Пространственная и временная суммация. ВПСП и ТПСП.

5.Нейронные сети из нейронов со ступенчатой характеристикой. Решение задач. Сети из нейронов с линейной характеристикой. Сети, реализующие основные алгебраические действия (сложение, вычитание, умножение, возведение в степень с натуральным показателем).

6."Пошаговые" нейронные сети. Память, счет. "Свобода воли" и детерминизм в поведении животных.

7.Экзамен по курсу.

(7 лекционно-семинарских занятий по 2 ч.)

Цель курса. Введение в современную органическую химию, ее самую красивую и "глубокую" часть. Формирование интереса к химии как таковой, вне сугубо биологического или физического контекста.

1. Химия углерода. Электронная структура, гибридизация орбиталей в соединениях. Подвижность органической молекулы, вращение вокруг химических связей и его последствия. Основные классы органических соединений. Радикалы, ионы. Алканы. Радикальное хлорирование метана, радикальное бромирование 2-метилпропана. Индукционный эффект, эффект сверхсопряжения.
2. Алкены: электрофильное присоединение HCl, брома, воды.
3. Радикальное присоединение бромоводорода в алкенах. Алкины: электрофильное присоединение HCl, брома. Диеновые углеводороды: классификация, сопряженные пи-системы.
4. Алкодиены: мезомерный эффект; 1,2-, 1,4-присоединение бромоводорода и хлора. Бензол. Строение: сопряженная пи-система.
5. Присоединение хлора к бензолу (в присутствии хлорида алюминия), нитрование бензола. Присоединение брома к толуолу, хлора к фенолу. Понятие об орто- и пара-ориентантах в бензольном кольце.
6. Присоединение хлора к бензойной кислоте, брома к нитробензолу. Понятие о мета-ориентантах. Обобщение знаний об орто- , пара- и мета-ориентантах.
7. Экзамен по курсу (проводится в два этапа: допуск к экзамену и собственно экзамен.

--- Допуск - это краткое собеседование, охватывающее все темы курса. При этом школьник допускается до собственно экзамена в том случае, если он показал знание не менее ѕ курса.

--- Зачет представляет собой письменную работу, включающую 6 вопросов:

• Класс органических соединений: общее строение, общая формула, примеры соединений этого класса.
• Около 15 уравнений химических реакций, рассматриваемых в данном курсе.
• 3-6 вопросы - механизмы органических реакций.

При этом экзамен состоит в основном из вопросов, на которые школьник затрудняется дать ответы во время сдачи допуска. Вопросы к экзамену не выходят за рамки прочитанного на лекциях материала.

рекомендованной для самостоятельной подготовки к сдаче зачета:

• Шабаров Ю.С. Органическая химия. -М.: "Химия", 1996.
• Волович П.М., Бровко М.И. Готовимся к экзамену по химии. -М.: Айрис Рольф, 1997.

(6 лекционно-семинарских занятий по 2 ч.)

Цель курса. Изучение основ органической химии, как твердой основы для развития интереса к химии и восприятия учебных курсов по молекулярной биологии.

• Изучение основ органической химии, на основе представлений о механизмах органических реакций (это чрезвычайно сильно уменьшает долю заучиваемого материала, большую часть информации обучающиеся могут "придумать самостоятельно" в ходе эвристической беседы с преподавателем),
• Развитие интереса к химии как таковой, в частности - к химии природных соединений,
• Подготовка к восприятию курсов "Молекулярная физиология" (7 класс), "Молекулярная биология прокариот" (8 класс), "Молекулярная биология эукариот" (9 класс).

(6 лекционно-семинарских занятий по 2 ч.)

Курс является продолжением курсов "Цитология с основами естественных наук" и "Механизмы органических реакций", и впервые представляет школьникам физику как самостоятельную науку.

Цель курса. Введение в электростатику (в целом уже знакомую обучающимся из курсов "Цитология с основами естественных наук", "Нейробиология" и "Механизмы органических реакций") и электродинамику как разделы самостоятельной науки - физики. Формирование интереса к физике как таковой, вне сугубо биологического или химического контекста.

• Изучение электростатики и электродинамики как связной системы физических моделей. Постановка перед школьниками чисто физических проблем в форме задач с целью формирования "физического мышления" и глубокого интереса к физике.
• .Формирование научного подхода к электрическим явлениям в природе и в быту (молния, газовый разряд, токи в электропроводящих жидкостях),
• Изучение электролиза как комплексного физико-химического явления (вне биологического контекста), формирование интереса к электрохимии и физической химии.
• Подготовка к восприятию факультативных курсов по электротехнике и физической химии.

1. Понятие электрического заряда. Точечный заряд. Индукция. Электростатическая защита. Закон Кулона. Напряжённость электростатического поля.
2. Силовые линии. Силовые линии монополя, диполя, системы трёх зарядов. Работа электростатического поля. Потенциал. Потенциал точечного заряда.
3. Заряженная плоскость. Две параллельные плоскости. Напряжённость и потенциал. Клеточная мембрана как система из двух заряженных плоскостей. Мембранный и трансмембранный потенциал.
4. Электрический ток. Закон Ома. Параллельное и последовательное включение сопротивлений. Мощность электрического тока. Основы противопожарной безопасности.
5. Токи в газах. Газовый разряд. Молния. Токи в электролитах. Электролиз.
6. Экзамен (письменный: теория и решение задач).

(6 лекционно-семинарских занятий по 2 ч.)

Цель курса. Формирование у школьников представлений о том, чем, собственно, многоклеточный организм принципиально отличается от одноклеточного, введение в соответствующие разделы биологии.

• Сформировать общее представление о многообразии протистов как форме реализации функциональных возможностей эукариотической клетки,
• Сформировать представление о жизненном цикле и закономерной смене гаплоидного и диплоидного поколений, активизировать на этой основе соответствующие сведения из школьного курса ботаники,
• Обсудить со школьниками проблемы регуляции функций многоклеточного организма (введение в общую физиологию), а также проблемы формирования пространственной структуры организма (введение в эмбриологию) и механизмов возникновения нарушений в этом процессе, и наследования этих нарушений (введение в генетику и теорию филэмбриогенеза).
• Подготовка к восприятию курсов "Пресноводные беспозвоночные...", "Придумайте животное!", "Молекулярная физиология" (7 класс), "Анатомия и функциональная морфология позвоночных", "Морфогенез растений", "Эмбриология" (9 класс)

Примечание. Экзамен в конце этого курса не проводится, так как, во-первых, все занятия ведутся в форме эвристической беседы, и, во-вторых, каждое занятие начинается с 10-минутной контрольной работы. По итогам этих работ и выставляется оценка. При желании обучающийся может улучшить свою оценку, сдавая экзамен преподавателю во внеучебное время.

Цель курса. Введение в современные зоологию и экологию, базирующиеся на структурном функционализме, а также - на комплексном, многодисциплинарном подходе к любому природному явлению или объекту.

• Дать школьникам общие представления о пресноводном водоёме как экосистеме и "познакомить" их примерно с 40-50 таксонами пресноводных протистов и беспозвоночных.
• Познакомить школьников с основами структурно-функционального подхода к строению и функционированию многоклеточного организма, включая некоторые достаточно примитивные физические расчеты.
• . Предложить каждому школьнику самостоятельно разобраться в строении конкретного беспозвоночного животного, особенностях его передвижения, питания и т.п., в порядке применения на практике структурно-функционального подхода.

(6 занятий по 2 ч.)

1. Экскурсия на берег стоячего водоема. Общие представления об экологии пресноводного водоема. Циркуляция воды. Температура, свет, кислород. Экологические группы животных: планктон, нейстон, бентос. Планктонная сетка. Взятие качественных проб планктона. Основные группы планктонных животных: определение по хорошо заметным морфологическим и поведенческим признакам (размеры, характер движения, форма тела, число отделов тела, конечности и т.п.) до типа или класса. Коловратки (определение по внешнему облику наиболее обычных родов: Brachionus, Asplanchna, Keratella, Conochilus; отр. Bdellоida).
2. Лекционно-практическое занятие. Экология водоема: пищевые цепи, круговороты углерода, кислорода и компонентов минеральных солей. Трофность водоема, олиго- , мезо- и эвтрофные водоемы. Пресные водоемы разных типов и деятельность человека. Ракообразные: определение таксонов различного ранга (ветвистоусые: Daphnia, Simocephalus, Sida, Moina, Ceriodaphnia, Scapholeberis), копеподы: циклопоиды, каляноиды, гарпактикоиды), остракоды; голые жаброноги; щитни; бокоплавы; водяной ослик)
3. Лекционно-практическое занятие. Зарастание водоемов. Обследование водоемов на разных стадиях зарастания. Взятие проб бентоса. Биологические основы рационального использования природных богатств пресных водоемов. Экологические катастрофы в пресных водоемах и причины их возникновения. Бентос: протисты и черви.
4. Лекционно-практическое занятие. Определение основных таксонов бентоса (среди протистов - жгутиконосцы (в том числе воротничковые, Volvox, эвгленовые), голые амебы, раковинные амебы, солнечники, сосущие инфузории, кинетофрагминофоры (в том числе роды Dileptus и Didinium), олигогименофоры (в т.ч. Paramecium, Vorticella, Zoothamnium, Spirostomum), полигименофоры (в т.ч. брюхоресничные инфузории, Stentor)).
5. Лекционно-практическое занятие. Определение основных таксонов червей: плоские (планарии, отр. Rhabdocoela), свободноживущие нематоды, малощетинковые (Aeolosoma, семейства Naididae, Tubificidae), пиявки (Glossiphonia, Helobdella, Haemopis sanguinea и другие, встречающиеся в изучаемых водоемах).Водные насекомые и их личинки. Клопы. Жесткокрылые. Стрекозы.
6. Лекционно-практическое занятие. Поденки. Экология основных групп околоводных и водных насекомых. Двукрылые: водные личинки и имаго. Комары сем. Culicidae, Chironomidae, Dixidae. Мокрецы, мошки, слепни, определение Culicidae по внешнему облику, характеру движения и питания.
7. Экзамен по первой части курса

Часть 2. Придумайте животное (Экологическая игра, 4 тура по 2 ч.)

На предшествующих занятиях по зоологии ребятам уже рассказывали об организмах, "населяющих" пруд, и они имели возможность понаблюдать за ними.

Предлагаемая серия занятий использовалась как введение во второй раздел курса зоологии. Как нам кажется, она позволяет сделать более осмысленным восприятие ребятами сведений о строении и функционировании организма конкретного животного, экологических взаимодействиях между животными разных видов.

I тур "Раскритикуйте конструкцию" (2 часа)

II тур "Рассчитайте эффективность питания" (2 часа)

III тур "Придумайте двуслойное животное" (2 часа)

IY тур "Размеры - почему они так важны?"(2 часа)

(4 занятия по 2 ч.)

На первых трех практических занятиях (№7-9) этого раздела каждый школьник должен самостоятельно разобраться в строении конкретного беспозвоночного животного, особенностях его передвижения, питания и т.п., прочитать о нем в литературе, выполнить подробные рисунки, определить до вида по определителю.

На последнем занятии (экзамен, занятие №10) школьники делают доклады каждый о своем животном. Доклад должен содержать ясные, обоснованные представления о том, как животное передвигается, питается, дышит, размножается, как и какими органами при этом пользуется. Специально отмечаются вопросы, которые так и не удалось выяснить, предлагаются возможные способы их выяснения.

Практическая часть (5 практических занятий по 4 ч.)

Занятия проводятся в форме практического определения пресноводных организмов по определителю: до семейства или рода "габитуально", по хорошо заметным внешним признакам в живом состоянии (см. первую часть курса), далее - по определителю до рода или вида.

1. Определение протистов, турбеллярий и кольчатых червей
2. Определение водных личинок насекомых.
3. Определение имаго водных насекомых
4. Экзамен по всему курсу.

(5 лекционно-семинарских занятий по 2 ч.)

• Предоставить школьникам возможность применить полученные ранее знания для удовлетворения возникающего у них к этому времени интереса, как устроен и работает их собственный организм, а также провести параллели с работой и строением организмов других животных
• Подготовить к восприятию курсов "Молекулярная биология прокариот" и "Молекулярная биология эукариот"
• Этот курс прививает потребность задавать вопросы типа "как это (орган, ткань) работает?" и позволяет предлагать вполне разумные гипотезы о молекулярных механизмах и некоторых физических явлениях, лежащих в основе функционирования этих живых структур. Курс дает богатый фактический материал для подобного рода размышлений.

1. Клеточные основы физиологии. Обмен веществ между клеткой и окружающей средой. Транспорт веществ внутри клетки. Регуляция клеточных функций. Системы органов. Теория кислот и оснований Аррениуса.
2. Пищеварительная система. Состав пищевых продуктов. Функции желудочно-кишечного тракта. Транспорт веществ из кишечника в кровь. Строение микроворсинок. Состав пищеварительных соков.
3. Дыхательная система. Диффузия дыхательных газов. Парциальное давление газов. Структура и свойства гемоглобина. Перенос кислорода кровью. Кривая диссоциации оксигемоглобина. Принцип Ле-Шателье. Перенос углекислого газа кровью. Формы транспорта. Связывание углекислого газа с гемоглобином. Хлоридный сдвиг.
4. Кровеносная система. Теория кислот и оснований Бренстеда-Лоури. Константа равновесия, рН. Буферные растворы. Буферный эффект и буферная емкость. Буферные системы крови. Состав крови. Форменные элементы и плазма. Функции форменных элементов. Иммунная система. Специфический и неспецифический иммунитет. Клеточная и гуморальная регуляция. Первичный и вторичный иммунный ответ.
5. Выделительная система. Три бассейна жидкости (кровь, тканевая жидкость и лимфа). Различные системы выделения. Функции почек. Строение нефрона. Клубочковая фильтрация. Активный и пассивный транспорт в нефронах. Гормональная система. Гипоталамо-гипофизарная система. Принцип действия гормонов. Гормоны и их функции.

(6 лекционно-семинарских занятий)

Цель курса. Введение в философию вообще и философию науки в частности на близком и понятном для школьников материале научного метода изучения природы.

• Активизировать рефлексию по поводу процесса научного познания.
• Развитие здорового критицизма в отношении научных исследований и концепций.
• Овладение навыками использования источников научной информации и методов научного познания.
• Познакомить школьника с практикой общих абстрактных рассуждений, стимулировать формирование философских основ собственного мировоззрения,
• Сформировать интерес к философии и методологии