CC BY
216
УДК 372.857 ГРНТИ 14.25.09
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ STEAM-ОБРАЗОВАНИЯ В МЕЖПРЕДМЕТНОЙ ИНТЕГРАЦИИ БИОЛОГИЧЕСКИХ ЗНАНИЙ ШКОЛЬНИКОВ НА БАЗЕ СОЗДАВАЕМОЙ _В РОССИИ СЕТИ КВАНТОРИУМОВ_
DOI: 10.31618/ESU.2413-9335.2021.1.82.1201 Хачатурьянц Вероника Евгеньевна
аспирант кафедры естественнонаучного образования и коммуникативных технологий
Института биологии и химии ФГБОУ ВО «Московский педагогический государственный университет»,
учитель ГБОУ Школа №1998 «Лукоморье»,
г. Москва
Теремов Александр Валентинович
доктор педагогических наук,
профессор кафедры естественнонаучного образования и коммуникативных технологий
Института биологии и химии ФГБОУ ВО «Московский педагогический государственный университет»,
г.Москва
USE OF STEAM EDUCATION ELEMENTS IN INTERDISCIPLINARY INTEGRATION OF
BIOLOGICAL KNOWLEDGE OF STUDENTS ON THE BASIS OF THE CREATED SYSTEM
OF QUANTORIUMS IN RUSSIA
АННОТАЦИЯ.
В современном обществе интеграция является одним из основных подходов к процессу обучения школьников. Интегрированный подход способствует развитию творческих и познавательных способностей учащихся. Продуктивным технологическим решением создания межпредметных связей является STEAM- образование, которое основано в объединении основных направлений обучения. Кванториумы, создаваемые в России, позволяют применять STEAM - технологии для реализации интегрированного подхода. В статье приведены примеры заданий, включающие элементы STEAM -обучения, которые можно применять на уроках биологии.
ABSTRACT
In modern society, integration is one of the main approaches to the process of teaching schoolchildren. An integrated approach promotes the development of creative and cognitive abilities of students. A productive technological solution for creating interdisciplinary connections is STEAM education, which is based on combining the main directions of education. Quantoriums created in Russia allow the use of STEAM technologies to implement an integrated approach. The article provides examples of tasks that include elements of STEAM -learning, which can be used in biology lessons.
Ключевые слова: интеграция содержания образования, STEAM-образование.
Key words: integration of educational content, STEAM education.
В современном мире происходит технологическая революция, которая затрагивает все сферы жизни людей, в том числе и образование. Внедрение инновационных технологий, высокоскоростные потоки информации, научные открытия влияют на жизнь общества, меняя ее. Это приводит к тому, что устоявшиеся знания, приемы теряют свою актуальность, а на их место приходят другие, которые смогут отвечать новым запросам общества, двигая науку и образование вперед. Самыми востребованными профессиями нового времени стали ^-специалисты, инженеры, программисты, инженеры в области нанотехнологий. Большинство решаемых людьми этих профессий проблем имеют комплексный, междисциплинарный характер, что требует изменений в содержании не только высшего, но и среднего общего образования. Существующая по сей день узкая монопредметная образовательная среда не позволяет в должной мере подготовить выпускника общеобразовательной организации,
обладающего готовностью и способностью видеть эти проблемы, намечать пути их решения и осуществлять действия по преодолению. Таким образом, перед содержанием современного естественнонаучного образования, прежде всего, в средней общеобразовательной школе встает задача широкой межпредметной интеграции содержания учебных предметов, организационной
трансформации образовательного процесса по биологии, физике, химии в направлении установления внутри- и межпредметных связей на основе комплексных, междисциплинарных проблем современности разного уровня и аспектности. Специалистам будущего требуется всесторонняя подготовка и знания из разных предметных областей.
Особенно актуальной межпредметная интеграция становится в свете новых тенденций наступившего столетия, например в области МБГС-конвергенции, которая заключается во взаимовлиянии информационных технологий,
биотехнологий, нанотехнологий и когнитивной науки. Термин получил такое название по первым буквам областей: N -нано; В -био; I -инфо; С -когно. Его авторами являются Михаил Роко и Уильям Бейнбридж, впервые описавшие это взаимодействие еще в 2002 г. Науки хоть и развиваются по отдельности, но преследуют одну цель - развитие технологий, которые обеспечат прогресс знаний и технологий. Наиболее развитая в настоящее время их часть - информационно-коммуникативные технологии, которые позволяют развиваться другим сферам деятельности [3]. В области образования эти технологии становятся доминирующими, дополняющими и сменяющими традиционные формы работы со знаниями в системе «учитель-ученик» на другие, в первую очередь, связанные с самостоятельным поиском обучающимися нужной им информации в Интернете и масс-медиа, переработки найденной информации во внутреннем плане личности и частичного ее присвоения, интерпретации и репрезентации в новых формах во внешнюю по отношению к школе информационную среду.
Развившиеся в условиях коронавирусной пандемии дистантные форматы обучения на различных цифровых платформах размыли предметное поле знания, вывели его за рамки традиционно изучаемых в школе естественных наук, придали ему новые качественные и количественные характеристики, вариативность и личностную ориентацию. В условиях возникшей неопределенности в области содержания образования, школа как социальный институт как никогда должна четко закладывать у обучающихся «фундамент» естественнонаучных знаний, формировать у обучающихся рациональное мировосприятие и миропонимание, учить школьников работать с различными познавательными феноменами: восприятием, пониманием и объяснением научной информации, использованием знаний в практической деятельности по решению различных жизненных проблем.
Одно из центральных мест в естественнонаучном образовании занимает биология, которая сегодня становится связующим звеном между физикой, химией и гуманитарными науками. Биология интегрирует знания естественных наук о живой природе, в том числе и знания об организме человека. Научные исследования в области биологии, медицины и экологии становятся приоритетными в современной науке, о чем свидетельствует цитируемость научных статей, принятие на государственном уровне программ развития научных исследований в области молекулярной биологии, биотехнологии и биомедицины. Биологические знания обеспечивают
подготовленность выпускников школы к экологически грамотной деятельности в окружающей природной среде, осознанию значимости сохранения своего здоровья и здоровья окружающих, от чего зависит качество и
продолжительность жизни современного человека, сохранность биосферы как условия существования природных, техногенных и социальных систем.
Современная биология интегрирует биологические знания по разным основаниям с другими естественными науками, техникой и виртуальным искусством. Появились и начинают внедряться в учебные планы школ современные предметы: робототехнику, программирование, 3Б-моделирование. Можно уже говорить о создании особого образовательного пространства, где применяются нетрадиционные формы организации обучения, реализуются альтернативными традиционным образовательным технологиям способы работы со знаниями, выдвигаются новые требования к образовательным достижениям обучающихся. Так, многие авторы сходятся во мнении, что современный школьник должен не только обладать достаточным багажом знаний и умением применять эти знания на практике, но также должен уметь исследовать и изобретать в интересующей его области предметной или межпредметной деятельности, создавать собственные продукты образовательных отношений, выстроенных между разными участниками образовательного процесса в открытых форматах.
Чтобы соответствовать веяниям времени в России с 2010 г. началось создание инновационных центров для поддержки и развития одаренных детей. Первым из них стал центр «Сколково», который на сегодняшний день представляет собой наукоград, осуществляющий обучение в следующих направлениях: информационные технологии, биомедицинские технологии, энергетические технологии, космос и ядерные технологии. Одного центра для большой страны мало, поэтому в 2015 г. Президентом РФ В.В.Путиным была подписана стратегическая инициатива «Новая модель дополнительного образования детей», которая предусматривает создание детских центров «Кванториум» во всех регионах РФ [5]. Остановимся на этой новой организационной форме междисциплинарного взаимодействия различных научных областей, предназначенных для реализации новых образовательных целей.
Кванториум - это современный научно-образовательный центр, технопарк для детей от пяти до восемнадцати лет, оборудованный по последнему слову техники. Основной его задачей является поддержка ускоренного технического развития детей и реализация научно-технического потенциала российской молодежи, внедрение эффективных моделей образования, доступных для тиражирования во всех регионах страны. Кванториумы реализуют проектный подход к обучению в рамках 13 направлений: энерджиквантум (энергетика); хайтек (умные технологии); промробоквантум (промышленная робототехника); промдизайнквантум
(проектирование объектов массового
производства); аноквантум (работа с
наноматериалами); космоквантум (различные области космонавтики); геоквантум
(геоинформационные технологии); биоквантум (биология); аэроквантум (летательные аппараты); автоквантум (наземный транспорт); VR/AR-квантум (виртуальная и дополненная реальность); IT-квантум (прикладные информационные технологии); DATA-квантум (анализ информации) [4].
Сейчас действуют 89 Кванториумов в 62 регионах России. В них бесплатно занимаются дети от 10 до 18 лет. К 2024 г. планируется, что в каждом городе с населением больше 60 тысяч жителей, будет как минимум один Кванториум. Тематика работ в этих новых организационных объединениях, работающих по принципу открытых коллективов и коллабораций разнообразна, но одно из ведущих направлений - межпредметные учебные, проектные и исследовательские работы, выполняемые школьниками по физике, химии, биологии и медицине. Продуктивным технологическим решением этой задачи, на наш взгляд, является STEAM образование - основной мировой тренд, объединяющий науку (S - science), технологию (T - technology), инженерию, или конструирование (E - engineering), искусство, или творчество (A - art) и математику с информатикой (M - mathematics). Заметим, что данные дисциплины являются самыми востребованными в современном мире, являясь основой для профессий будущего. Именно поэтому сегодня STEAM-образование во многих странах развивается так стремительно.
STEAM-образование основано на применении междисциплинарного и прикладного подхода, а также на интеграции всех пяти дисциплин в единую схему обучения. Оно позволяет использовать научные методы, технические приложения, математическое моделирование, инженерный дизайн, что ведёт к формированию у обучающихся инновационного мышления, умений, навыков, востребованных в XXI в. Большинство специалистов отмечают, что прогрессивные технологии повышают мотивацию к обучению и расширяют базовые знания в области конструирования и программирования. Применение STEAM-образование подразумевает смешанную среду обучения и показывает, как научный метод может быть применен к повседневной жизни.
Обучающиеся в системе STEAM-образование кроме стандартных предметов изучают робототехнику, программирование, конструируя и программируя собственных роботов. На занятиях используется специальное технологичное лабораторное и учебное оборудование, такое как 3D-принтеры, средства визуализации и прочее оборудование. В связи с этим можно выделить следующие его особенности: интегрированное обучение по темам, а не по предметам; применение научно-технических знаний в реальной жизни; развитие навыков критического мышления и разрешения проблем; повышение уверенности в
своих силах и возможностях; активная коммуникация и командная работа; развитие интереса к техническим дисциплинам; подготовка детей к последующим технологическим инновациям; развитие креативности личности и повышение ее интеллектуального уровня [1].
В результате STEAM-образования будут созданы условия для формирования у обучающихся навыков будущего (4К): способность к коммуникации и кооперации; наличие критического мышления и креативности. Эти навыки нельзя получить только в предметных лабораториях или из знания определенных математических алгоритмов. Нужна широкая межпредметная интеграция знаний, выстроенных по разным основаниям.
Рассмотрим использование элементов STEAM-образования на примере раздела «Человек и его здоровье» школьного курса биологии. Организм человека - сам по себе достаточно интегрированный биосоциальный объект, который можно изучать физическими, химическими, биологическими, популяционно-статистическими и иными научными методами. На уровне основного общего биологического образования такую межпредметную интеграцию можно осуществить, например, в теме «Опорно-двигательная система». Ее изучение со школьниками возможно с использованием конструктора LEGO
MINDSTORMS Education EV3 [2]. В набор входят микрокомпьютер, аккумулятор, моторы, а также сборочные элементы конструктора. Благодаря этим составляющим, ученики, работая в парах, могут собрать модели конечностей человека, соединяя части конструктора воедино, а затем приводя их в движение. Каждая часть конечности соединена с помощью суставов, что позволяет изучить тему «Рычаги» школьного курса физики. Помимо конструктивных действий, школьникам предлагается ответить на вопросы: Какую структуру имитируют болты? Как устроена эта структура у человека? Также можно предложить обсудить эстетику движений тела человека.
При изучении темы «Органы кровообращения» школьникам предлагается сконструировать модель движения крови по сосудам. Сердце в этом случае заменяется насосом, который перекачивает подкрашенную кармином и метиленовым синим жидкость (кровь) по трубкам (сосудам). После сборки модели кровеносной системы, школьникам предлагается «запустить» кровообращение и объяснить получившуюся конструкцию на предмет ее функционального назначения: Какие факторы приводят кровь в движение по сосудам? В чем разница движения крови по артериям и венам? Как меняется состав крови в кровеносной системе человека? Как называют физическую величину, позволяющую крови передвигаться? Чему она равна в норме у человека? Какие заболевания, связанные с ее отклонением Вам известны?
Во время изучения темы «Дыхание» школьникам предлагается собрать модель
Дондерса (рис. 1). Для изготовления модели модели предлагается описать механизм
ученикам предоставляется пластиковая бутылка, дыхательных движений, сопровождающийся
пластиковая трубка, воздушные шарики, резиновая изменением легких, диафрагмы и давления. перчатка, нитка, манометр. После изготовления
Рис. 1. Модель Дондерса
Во время изучения темы «Пищеварение» школьникам дается экспериментальное задание «Ферменты». Используя датчики кислотности среды и температуры цифровой лаборатории «СТЕМ-лаборатория по химии» необходимо исследовать влияние этих двух показателей на способность ферментов слюны, желудочного и кишечного соков расщеплять органические вещества, содержащиеся в пище. Ученики в ходе выполнения опыта знакомятся с основами
биохимии и энзимологии. Известно, что в желудочно-кишечном тракте человека
вырабатывается целый ряд ферментов, которые строго специфичны. Используя образцы ферментов (амилаза, мальтаза, пепсин, трипсин, липаза) и субстраты (белки, жиры, углеводы) школьники проводят практическое исследование, определяют необходимую температуру и среду, которая позволит ферменту воздействовать на субстрат. Полученные данные затем заносятся в таблицу.
Таблица
Пищеварительные ферменты
Орган ЖКТ, в котором Название Субстрат Температура
вырабатывается фермент фермента действия и среда
После эксперимента школьникам предлагается ответить на вопросы: Какое значение имеет аппетит для выделения организмом человека пищеварительных соков? В чем необходимость привлекательного кулинарного оформления блюда? Можно ли пищу считать этническим показателем и чем отличаются между собой кулинарии мира?
Таким образом, элементы 8ТБМ-образования дают возможность организовать изучения биологических знаний на интегративной основе, выдвигая гипотезы и экспериментируя с реальными биологическими объектами, процессами и их заместителями - моделями и конструкциями. Создаваемая в РФ система Кванториумов, создает предпосылки для более широкого внедрения в образовательный процесс исследовательского обучения, подкрепления теоретических знаний, полученных школьниками на уроках и при работе на образовательных порталах в Интернете, во
внеурочной, дополнительной экспериментальной деятельности; более раннего профессионального выбора и ориентации на продолжение образования в учреждениях среднего профессионального и высшего образования.
Безусловно, будущее школьного
естественнонаучного образования стоит за умением пользоваться информационно-коммуникативными технологиями, цифровыми лабораториями, использовать физические, химические, биологические знания для решения насущных жизненных проблем. А 8ТБМ-образование учит именно этому, занятия становятся динамичными и познавательными, обучающихся учатся взаимодействовать в рабочих группах, где они аккумулируют идеи, обмениваются размышлениями и совершают свои научные открытия. Такой подход вдохновляет школьников - будущее поколение изобретателей, новаторов и лидеров проводить исследования как
ученые, моделировать как технологи, конструировать как инженеры, созидать как художники, аналитически мыслить как математики.
Список литературы
1.Анисимова Т. И. STEAM-образование как инновационная технология для Индустрии 4.0 / Т. И. Анисимова, О. В. Шатунова, Ф. М. Сабирова // Научный диалог. — 2018. —№ 11. — С. 322—332. — DOI: 10.24224/2227-1295-2018-11-322-332.
2.Калугин С.Г. Создание и использование биологических моделей на базе конструктора LEGO MINDSTORMS Education EV3 в урочной и внеурочной деятельности по биологии. URL: https://videouroki.net/razrabotki/sozdaniie-i-ispol-
zovaniie-biologhichieskikh-modieliei-na-bazie-konstrnktora-leg.html
З.Павельева Т. Ю. Nbic-конвергенция и ее влияние на развитие современной науки // Социально-политические науки. 2018. №4. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/nbic-konvergentsiya-i-ee-vliyanie-na-razvitie-sovremennoy-nauki
4.Официальный сайт технопарка,
URL: https ://technopark-kids.ru/
5.Концепция развития дополнительного образования детей, утвержденная распоряжением Правительства Российской Федерации от 4 сентября 2014 г. N 1726-р, URL: http://static.government.ru/media/files/XEzqJAkjnpPP 3kOzFNbbWar0PgqgX5AY.pdf
