Педагогическое тестирование как средство оптимизации контроля процесса обучения по дисциплине «Биоиндикация» в учреждении НПО

Методологическую основу исследования составили:

– системный подход (В.П. Беспалько,  В.Г. Афанасьев);

– деятельностный подход (Л.С. Выготский, А.Н. Леонтьев, В.В. Давыдов, Д.Б. Эльконин).

Теоретическая база исследования:

– теория оптимизации  процесса обучения (Ю.К. Бабанский, М.М. Поташник);

– теоретические положения по тестологии (В.С.Аванесов, А.Н.Майоров, Н.Ф. Ефремова, М.Б. Челышкова и др.);

– концептуальные идеи о биоиндикации и биотестировании (О.П. Мелехова, Е.И. Егорова, Л.В. Цаценко и др.).

Методы исследования:

1. Теоретические методы: анализ, синтез, типология, сравнение, классификация, моделирование.
2. Практические методы: педагогическое наблюдение, анализ продуктов деятельности, педагогический эксперимент, экологический эксперимент, экспертная оценка.
3. Методы математической статистики: оценка существенности средней разности по t – критерию (с помощью разностного метода), угловой φ – критерий Фишера.

Этапы исследования:

1-й этап – теоретический (определение темы исследования, разработка методологии и плана проведения исследования, анализ литературы).

2-й этап – экспериментальный (опытно-экспериментальная работа).

3-й этап – обобщающий (обобщение результатов проведенной работы, оформление  текста выпускной квалификационной  работы).

Практическая  значимость результатов исследования:

1. разработан тематический план по дисциплине «Биоиндикация» для учебного раздела  «Контроль загрязнения поверхностных вод» в учреждении НПО;
2. разработана система дидактических тестов по дисциплине «Биоиндикация» для учебного раздела «Контроль загрязнения поверхностных вод»  в учреждении НПО, содержащая три теста для входного, промежуточного и итогового контроля;
3. разработан диагностический инструментарий для оценки оптимальности системы педагогического тестирования по дисциплине «Биоиндикация» в учреждении НПО;
4. изучены поведение и ответные реакции ряски малой на различные концентрации солей тяжёлых металлов, таких как кадмий, медь, свинец.

База исследования: лаборатория кафедры № 130 экологии и охраны окружающей среды ОмГПУ, БОУ НПО «Профессиональное училище № 20».

Выпускная квалификационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, приложений.

 

 

 

 

 

ГЛАВА 1. РОЛЬ БИОИНДИКАЦИИ И БИОТЕСТИРОВАНИЯ В ОЦЕНКЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

 

1.1.   История  возникновения и развития биоиндикации  и биотестирования

Использование живых  организмов в качестве объектов чувствительных к загрязнению окружающей природной среды уходит своими корнями в древние века. Ещё античные ученые сделали первые наблюдения о существовании связи облика растений с условиями их произрастания.

В работе Теофраста «Природа растений» содержится немало советов о том, как по характеру растительности судить о свойствах земель. Аналогичные сведения можно встретить в трудах римлян Катона и Плиния Старшего.

Идею биоиндикации с  помощью растений сформулировал  еще в I веке до нашей эры Колумелла: «Рачительному хозяину подобает по листве деревьев, по травам или по уже поспевшим плодам иметь возможность здраво судить о свойствах почвы и знать, что может хорошо на ней расти». Это направление, ныне получившее название ландшафтной биоиндикации, успешно используется в практических целях [14].

В нашей стране основоположником биоиндикационного использования  растений, оценки свойств почв и  подстилающих горных пород по особенностям развития растений и составу растительного  покрова бесспорно считают А. П. Карпинского. А.П. Карпинский писал о возможности растительной биоиндикации, и использовал характер распространения растений для составления геологических карт. Например: почвенные микроорганизмы и индикаторные растения используют для поисках различных полезных ископаемых. Также в трудах М.В.Ломоносова и А.Н.Радищева есть упоминания о растениях-указателях особенностей почв, горных пород, подземных вод.

По словам Кашина и  Иванова, «растения являются высокоинформативным индикатором уровня доступных форм химических элементов в окружающей среде и основным источником их для человека и животных. В связи с этим они представляют большой интерес в качестве эффективных объектов при экологическом мониторинге загрязнения окружающей среды » [34].

У.Д. Мэннинг и У.А. Федер определяют растение – индикатор как «растение, у которого признаки повреждения появляются при воздействии на него фитотоксичной концентрации одного загрязняющего вещества или смеси таких веществ». Индикаторными могут быть так же те растения, которые аккумулируют в тканях загрязняющие вещества или продукты метаболизма, получаемые в результате взаимодействия растения и загрязняющего вещества. Роль растений как объектов генетических исследований не может недооцениваться, поскольку лишь благодаря им были установлены основные принципы и положения генетики и цитогенетики [65].

Но самый большой вклад в развитие биоиндикации внес русский ученый – почвовед В.В.Докучаев. По комплексам почвенных животных можно определить типы почв и их изменение под влиянием хозяйственной деятельности человека.

Самое быстрое освоение биоиндикации началось в XIX веке, когда быстрыми темпами стали осваивать окраины нашей страны. Сейчас целесообразно говорить не только о наличии или отсутствии фактора, но и о степени его влияния на природный комплекс [76]. Это позволяет ввести шкалу воздействий (например, нет воздействия – слабое – сильное). Это шкала экологического фактора позволяет более верно оценивать исследуемую территорию. В этом случае следует говорить о методе количественной оценки степени воздействия экологического фактора на окружающую природную среду. При помощи биоиндикации устанавливают содержание в субстрате витаминов, антибиотиков, гормонов, биологически активных веществ, а также определяют интенсивность различных химических (pH, содержание солей) и физических факторов (радиоактивность) [46]. По составу флоры и фауны вод, численному составу их отдельных представителей судят о степени и характере загрязнений, пригодности вод для питья и хозяйственных целей, а так же об эффективности работы очистных сооружений [16].

На современном этапе  наиболее важные задачи биоиндикации состоят в разработке теоретических основ и методологии анализа реакции биологических систем на многофакторные воздействия с учетом дифференциальных отличий патогенных агентов, факторов риска, патологических явлений в зависимости от экологических условий и состояния организмов, популяций, ценозов и отдельных экосистем [27].

Впервые в России в 2001 году  в  Сыктывкаре на базе Института биологии Коми НЦ УРО РАН Международный союз биологических наук, Междисциплинарная комиссия по биоиндикаторам и Российская академия наук провели XI международный симпозиум по биоиндикаторам «Современные проблемы биоиндикации и биомониторинга». В нем участвовало 500 представителей 102 организаций из 25 стран мира. К началу симпозиума было опубликовано более 300 присланных научных сообщений. Он стал важным этапом в развитии концептуальных подходов к решению проблемы взаимоотношения человека и природы. Практически с этого момента можно говорить о рождении в нашей стране научно обоснованной концепции биомониторинга. Десять предыдущих симпозиумов в основном были посвящены разработке критериев и методов оценки качества окружающей среды. В этот же раз обсуждались, помимо традиционных вопросов биоиндикации, новые методы, включая дистанционное зондирование, и новые подходы, охватывающие комплексные методы индикации – от традиционных биогеохимических до создания геоинформационных систем [49].

Биотестирование как  способ оценки качества воды вошёл  в практику в начале XX в., когда для токсикологической характеристики широко использовали «рыбную пробу». Первые биотесты на дафниях и циклопах были выполнены в 1918 г. С конца 1930-х годов в качестве тест-объектов стали использовать гидробионты разного систематического уровня и с разными трофическими связями. В 1940 – 1941 гг. в систему испытаний включили простейших, ракообразных, червей и рыб. За биологические показатели оценки качества воды были приняты выживаемость, репродуктивность, выживаемость нарождающейся молоди, дыхательный и сердечный ритмы, потребление кислорода, выделение углекислого газа и аммиака как конечных продуктов обмена, дыхательный коэффициент, темп роста и питания, кормовой коэффициент, увеличение массы и др. [100].

В середине века был известен метод биотестирования, основанный на использовании канареек для индикации появления рудничного газа в горных выработках. Поведение птицы или её гибель оповещали шахтёров о грозящей им опасности.

Исследования в области  разработки и использования метода биотестирования в водоохраной практике проводились во многих научно – исследовательских и учебных институтах [91]. В 1980 г. Была признана необходимость применения биотестирования как показателя оперативной интегральной диагностики качества вод. В 1981 – 1986 гг. методики биотестирования были апробированы и рекомендованы для определения токсичности сточных и природных вод. По итогам апробации Всесоюзным научно – исследовательским институтом по охране вод (ВНИИВО) в 1990 г. было подготовлено и утверждено Государственным комитетом СССР по охране природы «Методическое руководство по биотестированию воды». В этот документ вошли методики с использованием тест-объектов – представителей основных трофических звеньев водной экосистемы: водорослей, ракообразных и рыб. Позднее для Госкомэкологии России были подготовлены и утверждены методики для определения токсичности воды с использованием в качестве тест-объектов инфузорий и ракообразных и для определения токсичности вод, почв и донных отложений – методика биотестирования по ферментативной активности бактерий [25].

В настоящее время  биотесты введены в стандарты  на качество воды во многих странах  мира.

 

1.2.   Экологические основы биоиндикации и биотестирования

В  настоящее  время  оценка  степени  экологической  опасности традиционно осуществляется путем определения  в  окружающей  среде  отдельных  потенциально вредных  веществ  или  воздействий  и  сравнения  полученных результатов с законодательно установленными для них предельно допустимыми величинами. В то же время такой способ контроля имеет ряд существенных недостатков. Аналитические методы, как правило, трудоемки, не всегда экспрессны, требуют дорогостоящего,  иногда  дефицитного  оборудования  и  реактивов,  а также  высококвалифицированного  обслуживающего персонала.  Но  главный  их  недостаток  в  том,  что  эти методы  не  могут  гарантировать  достоверной  оценки экологической  опасности,  сколь  бы  широким  не  был спектр  анализируемых  веществ.  Ведь  важны  не  сами уровни загрязнений и воздействий, а те биологические эффекты,  которые  они  могут  вызвать  и  о  которых  не может дать информацию даже самый точный химический или физический анализ [72].

Многообразные загрязняющие вещества, попадая в окружающую среду, могут претерпевать в ней различные  превращения, усиливая при этом своё токсическое действие. По этой причине оказались необходимыми методы интегральной оценки качества окружающей среды (воды, почвы, воздуха). Огромную роль при этом играют методы биотестирования и биоиндикации [23, 46].

Биоиндикация и биотестрирование являются основными элементами биологического мониторинга состояния окружающей среды.

Биоиндикация – это метод обнаружения и оценки воздействия абиотических и биотических факторов на живые организмы при помощи биологических систем.

Биоиндикация – обнаружение и определение экологически значимых природных и антропогенных нагрузок на основе реакции на них живых организмов непосредственно в среде их обитания. Биологические индикаторы обладают признаками свойственными системе или процессу, на основании которых производится качественная или количественная оценка тенденций изменений, определение или оценочная классификация состояния экологических систем, процессов и явлений [19, 23].

Основной задачей биоиндикации является разработка методов и критериев, которые могли бы адекватно отражать уровень антропогенных воздействий с учетом комплексного характера загрязнения и диагностировать ранние нарушения в наиболее чувствительных компонентах биотических сообществ. Биоиндикация, как и мониторинг, осуществляется на различных уровнях организации биосферы: макромолекулы, клетки, органа, организма, популяции, биоценоза [8, 23, 109].

Возможно выделение следующих   уровней   биоиндикации :

1)   Биохимические и физиологические реакции (изменение различных процессов и накопление определенных токсикантов в органах).

2)  Анатомические, морфологические, биоритмические и поведенческие реакции.

3)    Флористические, фаунистические изменения.

4)    Ценотический.

5)    Биогеоценотический.

6)    Ландшафтный [23, 47].

Сложность живой материи и характера  ее взаимодействия с внешними факторами  возрастает по мере повышения уровня организации. При этом биоиндикация на низших уровнях организации должна включаться в биоиндикацию на более высоких уровнях, где она предстает в новом качестве и может служить для объяснения динамики более высокоорганизованной системы [109].

Роль биоиндикации сведена к следующей совокупности действий, технологически совпадающей с биомониторингом:

 – выделяется один или несколько исследуемых факторов (по литературным данным или в связи с имеющейся программой мониторинговых исследований);