П особие по геологическим научно-исследовательским работам школьников
Введение
Научно-исследовательские работы школьников имеют принципиальное значение в развитии навыков научного и творческого мышления, в предметном ознакомлении с профессией, приобщении школьников к научным методам восприятия окружающего мира.
Научно-исследовательские работы являются инструментом для расширения и закрепления знаний, полученных традиционными методами: уроками, лекциями, чтением учебников и научно-популярных книг.
Существует несколько видов самостоятельных работ школьников. Наиболее распространенные - реферативные работы, учебно-исследовательские работы и, самые сложные, научно-исследовательские работы. Реферативные работы основаны на обработке литературных источников по заданной теме. Целью учебно-исследовательских работ является самостоятельная проверка уже известных человечеству закономерностей. Школьник впервые открывает что-то для себя, формирует собственную картину мира, но не получает новых фактов. Целью научно-исследовательских работ является получение нового фактического материала или выявление закономерностей, не известных ранее. Для выполнения научно-исследовательских работ, как правило, необходимо выполнение предварительной реферативной работы по теме исследования с целью выявления уже известных закономерностей и фактов. Также, научно-исследовательская работа может включать в себя одну или несколько учебно-исследовательских задач. Научно-исследовательская работа является самой сложной из самостоятельных работ школьников, требует серьезного уровня подготовки школьника, постоянного внимания руководителя, а часто и участия геологов-специалистов. С другой стороны, научно-исследовательская работа школьников наиболее полезна для профориентации и творческого роста, так как она максимально приближена к характеру работы геологов-специалистов.
Опыт показывает, что очень многие педагоги несерьезно относятся к научно-исследовательским работам школьников, подходя небрежно к постановке задачи, текущему контролю выполнения работы и оформлению результатов. Однако, вследствие такого небрежного подхода, у школьника может сформироваться искаженное представление о научно-исследовательской работе, о научных методах и о предмете исследований. Отпечаток от плохо сформулированной и выполненной школьной научной работы может негативно повлиять на всю дальнейшую судьбу школьника. Я бы сравнил развитие школьника в какой-либо области со ступенями космической ракеты-носителя. Упрощенно, можно представить такие варианты ступеней: детский сад -> школа -> институт (университет) -> работа; другой вариант: реферат -> школьная исследовательская работа -> курсовая работа -> диплом -> статья -> нобелевская премия. Конечно, в жизни всё происходит не так линейно и каждый может самостоятельно добавить в эти ряды множество ступеней или ступенек. Но, если рассматривать такие цепочки в сравнении с ракетой-носителем, становится понятно, насколько важны ранние, самые первые ступени вовлечения школьника в научную деятельность. Если первая ступень ракеты по каким-то причинам отработала неправильно, то какими бы хорошими не были вторая и третья ступень, космический аппарат не сможет попасть на заданную орбиту. Также можно сказать, что плохо подготовленная «самая первая научная работа» школьника в лучшем случае погасит интерес и отвратит его от данной области знания, а в худшем – искорежит судьбу на многие годы. Продолжая аналогию школьников с ракетами, представим себе такую ситуацию: вместо тщательной подготовки каждого старта мы кое-как заставим ракетами огромное поле и запустим их одновременно. Какие-то ракеты останутся на земле, какие-то полетят в разные стороны, какие-то столкнутся с другими ракетами и взорвутся. Но, если поставить очень много ракет, то возможно, какая-то из них случайно полетит в нужном направлении. Почему так не делают? Ракеты дорого стоят… Неужели школьник, из которого может вырасти первоклассный ученый, стоит дешевле? Так почему же из года в год на огромное поле ставят тысячи талантливых школьников и говорят им: “лети, куда хочешь…”.
|
Рис.1. Сравнение современного состояния планирования научно-исследовательских работ школьников с произвольно летающими ракетами.
| Данное пособие содержит разделы, посвященные проблемам выбора темы, подбора и освоения научной литературы, проведению полевых и лабораторных исследований. Также оно содержит практические советы по разным приемам оформления результатов, построению диаграмм, составлению списка литературы и т.д. Оно не претендует на полное освещение всех вопросов, связанных с научно-исследовательскими работами школьников в геологии. Скорее, это первая попытка обобщить собственный многолетний преподавательский опыт для помощи начинающим преподавателям и начинающим исследователям. Неоднократные обсуждения проблем научно-исследовательских работ школьников с С.В.Филимоновым, В.В.Аристовым, В.Д.Щербаковым, Б.Б.Шкурским, Е.М.Тесаковой безусловно повлияли на ход мысли автора и учтены в данной книге. Автор выражает им глубокую благодарность. В пособии учтены конструктивные замечания Л.Е.Жадановой, А.В.Березина и В.В.Аристова, которые любезно согласились ознакомиться с рукописью.
Выбор темы исследования и планирование работы
Выбор темы исследования производится школьником совместно с научным руководителем и является самостоятельной сложной задачей. Необходимы три главных условия, при которых имеет смысл браться за исследование какого-либо объекта или процесса:
Это красиво;
Это интересно;
Существует возможность это изучить.
Первые два условия субъективны, они зависят от восприятия школьником окружающего мира и его эрудиции. Хороший руководитель обычно способен показать красоту и найти интересные детали даже в самых непримечательных геологических объектах. Заинтересуется ли этим же школьник? Хватит ли его интереса на долгую кропотливую работу? Это зависит и от эстетического восприятия объекта, и от того, с какой скоростью будет подпитываться интерес новыми сведениями. Можно точно сказать, что тема понравилась школьнику, если он начинает хвастаться своей темой перед знакомыми и заражает их своим интересом. Подчеркну, что тема должна нравиться не только школьнику, она должна нравиться и его ближайшим друзьям, и его руководителю.
При оценке возможности выполнения данного исследования данным школьником необходимо учитывать большое количество факторов. Вот некоторые из них:
Возможность получения полевого или лабораторного материала.
Доступность различных методов исследования.
Время, которое может уделить школьник данному исследованию.
Базовая подготовка и возраст школьника.
Наличие методической литературы и возможность консультаций со специалистами.
Для проведения, написания и осмысления научно-исследовательской работы необходимо не менее 100 часов хорошо организованного времени. Трата нескольких часов на выбор темы и тщательное планирование работы позволит не потратить это время впустую.
Научный руководитель должен представлять возможности и интересы школьника, примерно оценивать его трудозатраты и наличие свободного времени, основывая на этих представлениях выбор задачи. Планирование включает не только выбор направления исследования, но и набор методов, а также варианты интерпретации результатов. Каждая конкретная работа должна иметь конечный, заранее оцениваемый объем. В противном случае, школьник, столкнувшись с многообразием научных подходов и недостатком времени либо заработает «кашу в голове», либо пойдет по пути «экономии времени» за счет заимствований текста и результатов из чужих работ.
К примеру, наша лаборатория ежегодно предлагает относительно стандартный список тем:
Откуда берется магма/лава?
Как устроен вулкан?
Что такое магматический очаг?
Законы кристаллизации магм.
Минералогия Земли.
Современный вулканизм Земли.
Вулканы Камчатки и Курил.
Вулканизм островных дуг.
Вулканизм океанов.
Подводные и подледные извержения вулканов.
Вулканы на других планетах.
Это крупные темы, по которым существуют учебники, подробные монографии, написано множество статей, рефератов и даже в нашей лаборатории их уже неоднократно выбирали в предыдущие годы. Если школьник или студент-первокурсник выбирает одну из предложенных крупных тем, он определяется с общим направлением исследования. После этого необходима интерактивная стадия, на которой совместно с руководителем обсуждается круг интересных вопросов по данной теме, чтобы выбрать для решения такой из них, для которого можно подобрать конкретный объект исследования (в нашем случае, вулкан, извержение или минеральный вид). По данному объекту научным руководителем должен быть представлен оригинальный каменный материал, не изученный ранее, описательная научная литература или возможность совместной поездки на этот объект. Во время выбора объекта исследования в пределах выбранной темы руководитель и школьник обсуждают предварительный план исследования, какие методы будут применяться и какую информацию они могут дать для решения того вопроса, который был поставлен.
Такой «телескопический» подход к выбору темы позволяет школьнику понять общий контекст своей работы, а руководителю оценить возможность ее выполнения, общую трудоемкость поставленной задачи и заранее продумать варианты работы при технических накладках.
При обсуждении темы очень важна интерактивная составляющая. То, что интересно руководителю может быть абсолютно неинтересно школьнику, и наоборот. Руководитель при обсуждении должен следить за реакцией школьника, направляя разговор в наиболее интересном для школьника направлении, постепенно сужая круг задач вокруг самой актуальной и интересной. Нельзя полагаться только на словесную реакцию, правильно выбранная тема вызывает блеск в глазах, оживление, изменение других реакций. При правильном выборе темы школьник должен почувствовать «крылья за спиной» и это должно быть заметно невооруженным глазом. Лучше потратить больше времени на детальное обсуждение темы исследования или даже поменять основное направление, нежели выбрать неудачную тему. При оценке перспективности темы у школьника может не хватить элементарных знаний. Ему нужно дать время на выбор, дать почитать научную или популярную литературу по обсуждаемой теме, что при нормальном уровне общей подготовки не будет потерянным временем, а позволит быстро овладеть контекстом исследования. Хороший исследователь всегда вносит свою индивидуальность в любую работу и нужно предоставить ему эту возможность еще на стадии планирования, чтобы потом не возникло конфликтов недопонимания.
К примеру, в 2013 году при выборе темы научно-исследователькой работы со школьниками из московской 192-й школы в качестве стартового направления обсуждалось исследование вулканических стекол. После нескольких обсуждений, в качестве актуального вопроса было выбрано определение скорости девитрификации («старения») стекла, а в качестве объекта исследования – не природные стекла, а стекла, сделанные человеком. В результате, школьники поставили множество экспериментов по искусственному старению стекла, самостоятельно раздобыли стекла различных исторических эпох, включая античное византийское стекло, исследовали структурные изменения, происходящие в стекле при старении с помощью новейших методов исследования, и нашли инструментальный способ количественно оценивать процесс старения. В результате, несмотря на то, что выбор получился вне геологических объектов, результаты и методы исследования могут быть перенесены на геологические объекты.
В результате, при выборе и детализации темы научно-исследовательской работы школьника должны быть определены не только название работы, но и примерный план исследования, его этапы и примерные даты выполнения каждого из этапов и работы в целом.
Наиболее рациональное проведение исследования строится также как и выбор темы: - сначала, от общего к частному, с выделением ключевых вопросов исследования;
- затем идет исследование конкретного материала и ответы на сформулированные вопросы,
- на стадии интерпретации результатов исследование проходит от частного к общему, т.е. от собственноручно исследованного материала через ключевые вопросы к первоначально поставленной задаче. Понятно, что только в очень редких случаях, при необычайном таланте, сопряженном с необычайным везением, школьники могут действительно окончательно решить какой-либо из нерешенных вопросов геологии. Научно-исследовательские работы школьников не должны содержать новых моделей устройства Вселенной, их главная задача - получение навыков формулировки вопросов, анализа и интерпретации результатов в качестве аргументов за ту или иную ранее предложенную концепцию.
Научно-исследовательские работы школьников преимущественно реферативны, то есть пишутся на основе обработки и обобщения информации из нескольких литературных источников. Как правило, для написания хорошей работы достаточно от 5 до 10 источников. Написание работы требует освоения нескольких основных навыков: работа с литературными источниками, написания и оформления текста, работы с рисунками и графиками, работа со списком литературы и ссылками на источники информации.
Расчет необходимого на работу времени - одна из самых сложных задач планирования научно-исследовательских работ. Это время зависит от теоретической и практической подготовки школьника, его мотивации, наличия и качества доступного для изучения материала, доступности лабораторных методов исследования, полученных результатов. Один и тот же объем работы может быть выполнен разными школьниками с различной скоростью. Даже один и тот же школьник может на одинаковую работу затратить совершенно разное время, ведь время выполнения работы зависит от очень многих причин. Для практической оценки времени выполнения работы полезно введение условных нормированных коэффициентов. Удобно нормировать время выполнения работы школьником к времени, которое потребуется самому руководителю для выполнения той же работы. Другой распространенный способ – использовать отношение времени реального выполнения работы к гипотетическому времени, за которое человек рассчитывал справиться с этой работой. При правильной организации исследования эти коэффициенты стремятся к 1. В условиях российской инфраструктурной реальности, доступности приборов, частоты их поломок, необязательности сотрудников, нечеткой формулировке задачи и т.д. значения обоих коэффициентов обычно лежат в пределах 2-4 (Отсюда известный среди программистов анекдот про число π, которое может быть выражено как отношение затраченного на работу времени к запланированному времени). Для предварительной оценки времени можно использовать значение 3. К примеру, если научный руководитель считает, что он сделает работу за один полный день, скорее всего, это означает, что он реально ее выполнит за 3 дня, а школьник за 9 полных дней. Школьник и самостоятельно может оценить коэффициент собственной производительности, записывая запланированное время и сравнивая с реально потраченным. При предварительном планировании работы руководителю разумно исходить из усредненных оценок времени и отслеживать значения нормировочных коэффициентов, чтобы скорректировать план исследования и успеть закончить работу вовремя.
Оформление полевых наблюдений
Полевые наблюдения являются очень важной частью исследовательской работы геолога. Принципиально важно понимать точное геологическое положение каждого образца, который будет исследоваться лабораторными методами. Только полевые наблюдения могут помочь определить взаимосвязи между образцами пород и минералов, отдельными слоями, жилами и геологическими процессами.
Каждый исследователь ведет свой собственный полевой дневник. Полевой дневник обычно представляет собой записную книжку в твердом переплете, с неразмокающей или просто плотной бумагой. Удобно, когда полевой дневник имеет относительно небольшой формат и легко влезает в карман куртки или маршрутного рюкзака. Если записная книжка слишком маленькая, то это неудобно – слишком мало информации помещается на одной странице. Дневники геологического факультета МГУ, которые печатаются специально для записи полевых наблюдений, имеют размеры 15x11 см и содержат 100-130 страниц белой нелинованной бумаги. В некоторых дневниках правая сторона страниц разлинована (под записи), а левая – пустая (под рисунки). Если нет возможности получить такой дневник, то вполне подойдет записная книжка формата от А6 до А5 (размер обычной или блоковой тетради). Тетради с пружинными переплетами опасны, они гораздо быстрее заканчиваются, из них слишком легко вырвать страницу для изготовления бумажного самолетики или даже еще более достойных целей.
Дневник ведется во время маршрута. Важно записывать свои наблюдения сразу, а не потом, после маршрута. Память способна на удивительные шутки и если наблюдения не записаны сразу, на месте, то даже в тот же день после маршрута, она может перемешать впечатления от разных точек наблюдения.
Существуют стандартные правила ведения полевых дневников, к которым лучше привыкать с самого начала:
Текст пишется только на правой стороне, а рисунки выполняются только на левой. На левой же стороне отмечаются номера отобранных образцов, сделанные фотографии и ставятся другие метки, позволяющие быстро ориентироваться в дневнике.
Первая страница дневника резервируется под оглавление, в котором кратко записывается название маршрута и страница, с которого он начинается.
В начале каждого маршрута записывается его название, дата, цель маршрута, погода, настроение. Кажется, что погода и настроение не имеют отношения к геологии, но практика показывает, что они важны для наблюдений. Потом, при просмотре дневника, эти отметки помогут понять, насколько комфортно было в маршруте и насколько достоверны те наблюдения, которые были сделаны.
Точки наблюдения должны быть выделены, для каждой точки должна быть координатная и словесная привязка. Рисунки должны иметь ориентировку и масштаб.
Оптимальный маршрут для школьника содержит 2-3 рисунка и 200 слов описания. Очень редкий школьник может выжать из себя больше, чем 200 слов связного текста. Если его заставлять писать больше, то он просто возненавидит это занятие. Но, всегда можно и нужно записать самое главное – основные наблюдения и выводы по маршруту. Выводы по маршруту пишутся в конце маршрута или во время камералки, но обязательно в день проведения маршрута. Школьник еще раз просматривает записи и обобщает их, пытается увидеть геологическую картину в целом. Я видел собственными глазами, как преподаватели диктуют выводы по маршруту. На мой взгляд, это профанация и преступление перед школьниками. Они никогда не научатся думать самостоятельно, если им не давать такой возможности. Выводы можно обсуждать, можно напоминать об увиденном, но формулировать их должны сами школьники.
То же самое можно сказать про рисунки. Рисунки очень важны для понимания взаимоотношения пород и различных геологических процессов. Важен как сам процесс рисования, так и процесс оформления рисунка. На один хороший законченный рисунок уходит 15-30 минут. В процессе зарисовки у школьника возникает множество вопросов, он начинает замечать многие детали. Если по ходу маршрута рисунков будет слишком много, то они либо будут выполнены недостаточно тщательно, либо у школьника не останется времени ни на что другое, кроме рисования. Когда на Крымской практике студенты геологического факультета МГУ садятся описывать точку наблюдения, отдыхающие курортники часто спорят между собой: это художники пришли или кто? Если вовремя не достать компас или геологические молотки, то студенты так и останутся «художниками».
|
Рис. 2. Пример заполнения полевого дневника (по Божко и др.,2007)
| Многие считают, что у них нет художественных способностей и, поэтому, они не смогут сделать нормальный рисунок. Практика показывает, что для геологического рисунка абсолютно не нужны художественные способности, правильный рисунок может нарисовать любой. Цель геологического рисунка - выделение наиболее существенных деталей обнажения и правильного отображения тех соотношений, которые потом будут описаны словесно в тексте. Последовательность создания рисунка очень простая. Сначала наносятся общие контуры рисунка, затем отрисовывается положение геологически важных границ (слоев, тел, зон минерализации), на следующем этапе передается текстура пород (характерные трещины и неоднородности, окраска). После этого, на рисунок наносятся условные обозначения, крап, элементы залегания и поясняющие надписи, которые помогают впоследствии правильно читать рисунок. Принципиальное достоинство рисунка по сравнению с фотографией – возможность выделить только главное, не отрисовывая ненужные детали.
Пример схематического изображения обнажения показан на рис. 3 Главное, что хотел показать автор рисунка – это градационная слоистость, постепенное уменьшение размера зернистости от подошвы ритма к его верхней части.
|
Рис.3. Изображение ритмов во флишевых отложениях.
Рисунок Н.В. Короновского
| Номер точки удобно маркировать следующим образом: Фамилия, Место, год, номер точки. Например, из номера образца ПK-14/1 следует, что он отобран Плечовым на Камчатке в 2014 году. Номер образца – номер точки и буква латинского алфавита: ПK-14/1a, ПK-14/1b, ПK-14/1c и т.д. Отмечу, что существуют многие другие способы маркировки образцов. Например, достаточно распространена отдельная маркировка точек по маршрутам (1-1, 1-2, 1-3, где первая цифра – номер маршрута, а вторая – номер точки) и сквозная нумерация образцов (1,2, 3, … 133). Но, на практике, предлагаемая в данной книге маркировка оказалась очень удобной, особенно, когда маршруты выполняются разными людьми и образцы отбираются отдельно. Из этой маркировки можно сразу понять, кто, где и в каком году отбирал образцы, какие образцы относятся к одной и той же точке наблюдения и где искать описание этой точки наблюдения.
|
